[論文レビュー] Cracking the dark matter code at the LHC

Won‐Sang Cho, Doojin Kim+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、LHCにおける不顕在粒子を伴う共鳴崩壊で生成される2つの可視粒子のインヴァリアント質量分布を分析することにより、ダークマター粒子の性質を解明する手法を提案する。これらの分布の形状—端点、ピーク、曲率—を検討することで、崩壊トポロジーを特定し、粒子質量を測定可能であり、一部の状況では質量スペクトルを完全に再構成できる。

ABSTRACT

We consider the decay of a generic resonance to two visible particles and any number of invisible particles. We show that the shape of the invariant mass distribution of the two visible particles is sensitive to both the mass spectrum of the new particles, as well as the decay topology. We provide the analytical formulas describing the invariant mass shapes for the nine simplest topologies (with up to two invisible particles in the final state). Any such distribution can be simply categorized by its endpoint, peak location and curvature, which are typically sufficient to discriminate among the competing topologies. In each case, we list the effective mass parameters which can be measured by experiment. In certain cases, the invariant mass shape is sufficient to completely determine the new particle mass spectrum, including the overall mass scale.

研究の動機と目的

• LHCにおける可視状態および不顕在状態に崩壊する新しい粒子の質量スペクトルと崩壊トポロジーをモデルに依存しない方法で探査すること。
• 2つの可視粒子のインヴァリアント質量分布の形状が、不顕在粒子の質量と崩壊構造に関する情報をどのように符号化しているかを特定すること。
• 最大2つの不顕在粒子を含む、9つの最も単純な崩壊トポロジーにおけるインヴァリアント質量形状の解析的公式を提供すること。
• これらの分布から実験的に測定可能な有効質量パラメータを特定すること。
• インヴァリアント質量形状だけでも、全体の質量スケールを含めた新しい粒子の質量スペクトルを完全に再構成できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 研究は、任意の数の不顕在粒子を最終状態に含む共鳴子の崩壊で生成される2つの可視粒子のインヴァリアント質量分布を分析する。
• 最大2つの不顕在粒子を含む9つの最も単純な崩壊トポロジーにおけるインヴァリアント質量形状の解析的公式を導出する。
• 各分布の形状は、3つの主要な特徴—端点、ピーク位置、曲率—によって特徴づけられ、これらがトポロジーの分類と区別に用いられる。
• この手法は、運動的制約と位相空間積分に依存し、可視インヴァリアント質量の関数として微分崩壊断面積を計算する。
• 実験データから抽出可能な測定可能な有効質量パラメータ—例えば端点やピーク質量—を同定する。
• 関数形の特徴に基づいて、インヴァリアント質量分布の関数形に依存して、異なるトポロジーを区別可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2つの可視粒子のインヴァリアント質量分布の形状は、不顕在粒子を含む崩壊トポロジーを一意に特定できるか？
• RQ2 インヴァリアント質量分布のどの特徴（例：端点、ピーク、曲率）が、潜在的な粒子質量スペクトルに対して最も感受性が高いか？
• RQ3 インヴァリアント質量形状だけでも、全体の質量スケールを含めた新しい粒子の質量スペクトルをどの程度完全に再構成できるか？
• RQ4 観測されたインヴァリアント質量分布から、実験的に信頼性高く測定可能な有効質量パラメータは何か？
• RQ5 最大2つの不顕在粒子を含む異なるトポロジーは、どのようにして特徴的なインヴァリアント質量形状を生成し、それらを区別可能にするか？

主な発見

• 最大2つの不顕在粒子を含む9つの最も単純な崩壊トポロジーを区別するには、インヴァリアント質量分布の形状—特にその端点、ピーク位置、曲率—が十分である。
• 特定の状況では、インヴァリアント質量形状だけでも、全体の質量スケールを含めた新しい粒子の質量スペクトルを完全に決定可能である。
• 本手法は、最大2つの不顕在粒子を含むすべての9つのトポロジーにおけるインヴァリアント質量分布を記述する解析的公式を提供する。
• 分布の端点は、母共鳴子の質量と不顕在粒子の質量と直接関係している。
• ピーク位置と曲率は、同じ端点を持つトポロジーを区別するための追加の制約を提供する。
• 端点やピーク質量といった有効質量パラメータは実験的に測定可能であり、それらを用いて基礎となる素粒子物理学モデルを制約できる。