[論文レビュー] Collider limits on dark matter

Joachim Kopp|arXiv (Cornell University)|May 17, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 26被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、テバトロンおよびレプにおけるモノジェットおよびモノ光子のサーベイを用いて、モデルに依存しないダークマターのコライダー制約を提示している。この制約は、軽量でスピン依存性、あるいはレプチル的であるダークマターに対して、直接的・間接的検出と同等のものであることが示されている。また、ダークマターが電子へと支配的に散乱する場合、10 GeV未満の熱的残りのダークマターはレプが除外可能であることも示している。

ABSTRACT

Dark matter pair production at high energy colliders may leave observable signatures in the energy and momentum spectra of the objects recoiling against the dark matter. We discuss signatures of Dark Matter in the jets + missing energy and photon + missing energy channels at the Tevatron and at LEP. Working in a largely model-independent effective theory framework, we can convert the collider bounds into constraints on the dark matter-nucleon scattering cross section and on the dark matter annihilation cross section. Our bounds are highly competitive with those from direct and indirect dark matter searches, especially for light WIMPs and for WIMPs with spin-dependent or leptophilic interactions. For example, we show that LEP rules out light (

研究の動機と目的

• テバトロンおよびレプからのコライダー・データを用いて、モデルに依存しないダークマターの性質に関する制約を導出すること。
• 特に軽量またはスピン依存性のダークマターに対して、コライダー制約と直接的・間接的ダークマター検出の制約を比較すること。
• 熱的残りのダークマターの文脈において、コライダー探索のダークマターの相関断面積および核子散乱への感受性を評価すること。
• 有効場理論フレームワークを超える簡略化モデルにおける中間子の質量および幅の影響を検討すること。
• 特に低質量のダークマターにおいて、コライダー探索と天体物理学的・直接検出の制約との補完的関係を評価すること。

提案手法

• 標準模型フェルミオンへのダークマター結合をモデル化するため、接触相互作用（ベクトル、スカラー、軸性ベクトル、およびtチャネルスカラー演算子）を用いた有効場理論フレームワークを用いる。
• 実験的カットおよび検出器シミュレーション（MadAnalysisおよびCompHEPを用いて）を適用し、CDF（テバトロン）およびDELPHI（レプ）のモノジェットおよびモノ光子データを再解析する。
• 観測された抑制スケール $\Lambda$ の限界を、ダークマター-核子散乱断面積および相関断面積への制約に変換する。
• 制約を中間子質量および結合定数の観点から解釈するため、$\Lambda = M / \sqrt{g_f g_\chi}$ を扱う。
• $s$チャネルおよび$t$チャネルの中間子の状況を検討し、$M \sim \sqrt{s}$ のときの共鳴生成を含む。
• 再結合時の $\langle v_{\rm rel}^2 \rangle = 0.24$ に対応する $\langle \sigma v_{\rm rel} \rangle$ に対する感受性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 テバトロンおよびレプにおけるコライダー探索は、モデルに依存しない方法でどのようにダークマター-核子散乱断面積を制限するか？
• RQ2 コライダー制約が直接的・間接的検出実験の制約を上回る条件は何か？
• RQ3 特に $e^+e^-$ への散乱が支配的である場合、LEPデータが $m_\chi \leq 10$ GeV の熱的残りのダークマターをどの程度まで除外可能か？
• RQ4 ダークマター結合が有効接触相互作用ではなく、軽量でオンシェルの粒子によって媒介される場合、制約はどのように変化するか？
• RQ5 簡略化モデルにおける中間子の幅および質量が、コライダー制約の強さに果たす役割は何か？

主な発見

• LEPは、$e^+e^-$ への散乱が支配的である場合、$m_\chi \lesssim 10$ GeV の熱的残りのダークマターを除外する強力な制約を提供する。
• テバトロンのモノジェット探索は、$m_\chi \lesssim 4$ GeV または主にスピン依存性の相互作用を示すダークマターに対して、直接検出実験を上回る制約を提供する。
• $m_\chi \lesssim 10$ GeV の範囲では、LEPが相関断面積に課す制約は、銀河中心部のフェルミ-LAT観測や $e^+e^-$ シグナルの制約よりも強い。
• 中間子質量 $M$ が $\sqrt{s} \sim 200$ GeV に近い場合、共鳴生成によりコライダー感受性が向上し、ダークマター-核子散乱断面積に対する制約が強化される。
• $M \lesssim m_\chi $ の場合、生成の $s^{-1}$ 依存性により $\sigma_N$ に対するLEP制約は弱まるが、オンシェルの $M \to \chi\bar{\chi}$ 衰えは中間子幅 $\Gamma$ に敏感であり、強い制約をもたらすことがある。
• 軽量の中間子を持つモデルでは、共鳴生成および分岐比依存性のおかげで、コライダー制約が有効場理論の制約を上回る場合がある。特に $2m_\chi < M$ のとき顕著である。