[論文レビュー] A lower bound on light neutralino dark matter from LHC data

Lorenzo Calibbi, Jonas M. Lindert+2 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、8 TeV運転におけるLHCデータを用いて、MSSMにおける軽いビーノ様中性子のダークマター候補の質量に下限を設定する。軽い中性ノイザー（約22–24 GeV）が実現可能であるのは、右巻きストーオとヒッグスイノ様チャージンォ/ニュートラリノが相対的に軽い場合に限られ、ATLASのマルチタウと運動量の欠損を伴う探索がこの状況を強く制約しており、ヒッグスイノ・ストーオ質量差が小さいか、または見えないヒッグス decay 分岐比がきびしく制限されていない限り、パラメータ空間の大部分が除外される。

ABSTRACT

Under the hypothesis that the MSSM neutralino accounts for the observed dark matter density, we investigate how light this particle is still allowed to be after the latest LHC data. In particular, we discuss the impact of searches for events with multiple taus and missing transverse momentum, which are a generic prediction of the light neutralino scenario.

研究の動機と目的

• 観測されたリリック密度を再現するMSSMにおけるビーノ様中性ノイザー・ダークマター候補の最小許容質量を特定すること。
• 特に運動量の欠損を伴うマルチタウ最終状態における、この軽い中性ノイザー・ダークマターの物性的特徴を調査すること。
• LHCデータと見えないヒッグス崩壊測定を用いて、ビーノ、ストーオ、ヒッグスイノ質量を含む簡略化されたMSSMモデルのパラメータ空間を制約すること。
• 従来、ミュオンの異常磁気モーメントによって不利益とされてきた負のヒッグスイノ質量パラメータ（μ < 0）のケースを含めるように、以前の解析を拡張すること。
• ATLASのマルチタウ探索と見えないヒッグス分岐比の制限が、軽い中性ノイザー・ダークマターの実現可能性に与える統合的影響を評価すること。

提案手法

• 軽い中性ノイザー・ダークマターの主要な消失過程を記述するため、右巻きストーオ質量（$m_{\tilde{\tau}_R}$）、ビーノ質量（$M_1$）、ヒッグスイノ質量（$\mu$）、および$\tan\beta$の4つの主要パラメータからなる簡略化モデルを構築する。
• 3σで$\Omega_{\rm DM}h^2 \leq 0.124$というリリック密度制約を適用し、tチャネルのストーオ交換による効率的な共消失を要請することで、妥当なパラメータ点を選別する。
• マルチタウ＋運動量の欠損を伴う最終状態の信号イベントは、Herwig++を用いてシミュレートし、QCD補正はProspino 2を、検出器効果はDelphes 3を用いてモデル化する。
• ATLASの20 fb⁻¹分のマルチタウ＋運動量の欠損を伴う探索を、この簡略化モデルに再解釈し、元の解析と同一のカットと信号領域を適用する。
• 95%信頼区間で$\mathrm{BR}(h \to \text{invisible}) \lesssim 20\%$という追加の制約を用い、大きな見えないヒッグス崩壊を有する領域を除外する。
• パラメータ空間は$\mu > 0$および$\mu < 0$の両ケースを別々に扱い、ヒッグス粒子と中性ノイザーの結合における干渉効果の影響を評価するため、$m_{\tilde{\tau}_1}$と$m_{\tilde{\chi}^0_3}$のスキャンを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたリリック密度制約を満たすMSSMにおけるビーノ様中性ノイザー・ダークマター候補の最小許容質量は何か？
• RQ2 軽いストーオおよびヒッグスイノ様状態を伴う軽い中性ノイザー・ダークマターのパラメータ空間は、LHCのマルチタウ＋運動量の欠損を伴う探索によってどのように制約を受けるか？
• RQ3 見えないヒッグス分岐比の制限は、軽い中性ノイザー・ダークマターの実現可能性にどのような影響を与えるか？
• RQ4 ヒッグスイノ質量パラメータμの符号は、軽い中性ノイザー状況における物性的特徴と制約にどのように影響を与えるか？
• RQ5 マルチタウ探索と見えないヒッグス崩壊の組み合わせは、直接的または間接的ダークマター探索よりも強い制約を提供できるか？

主な発見

• ATLASのマルチタウ探索限界に基づき、$\mu > 0$の場合は$m_{\tilde{\chi}^0_1} \gtrsim 24\ \text{GeV}$、$\mu < 0$の場合は$m_{\tilde{\chi}^0_1} \gtrsim 22\ \text{GeV}$の下限が設定された。
• ATLASのマルチタウ探索は、関連するパラメータ空間においてヒッグスイノを約380\ \text{GeV}まで、ストーオを約230\ \text{GeV}まで除外する。
• $\mu < 0$の領域は、ヒッグスイノ・ストーオ質量差が小さい（軟らかいタウを生じる）場合および$\mathrm{BR}_{h}^\text{inv} \approx 20\%$のときのみ実現可能であり、これは現在の実験的限界の端にある。
• $\mu > 0$の場合は、生存するパラメータ空間は、重いヒッグスイノ（$\gtrsim 320\ \text{GeV}$）とLEPの境界に近いストーオを持つ点に限られる。
• 95%信頼区間で$\mathrm{BR}_{h}^\text{inv} \lesssim 20\%$という見えないヒッグス分岐比制約は、特に$\mu > 0$の場合に、許容可能なパラメータ空間をさらに制限する。
• 本研究は、$\mu < 0$のケースについての最初の詳細な解析を提示しており、ミュオンの異常磁気モーメントによる理論的抑制が存在するにもかかわらず、物性的特徴が$\mu > 0$の場合と本質的に同様であることを示している。