[論文レビュー] Dark matter searches at the LHC

T. M. Hong|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、LHCにおける簡略化モデルとモノオブジェクト解析を用いたダークマター探索を要約し、$pp \to \chi\overline{\chi} + X$過程（$X$ はジェット、光子、ヒッグスボソンを含む）に注目する。LHCの除外限界が直接検出実験と補完的であることが示され、低質量ダークマター領域をカバーする。主な結果としてモノジェット、モノ光子、モノヒッグス、二ジェット探索が含まれ、部分的イベント再構成と$E^\textrm{miss}_\textrm{T}$トリガーによる感度向上が実現されている。

ABSTRACT

We present a summary of the current status of searches for dark matter at the LHC from the ATLAS and CMS experiments. For various assumptions in the simplified parameter space, the LHC exclusions is complementary to direct detection results. Mono-object analyses in search of dark matter and various analyses searching for dark matter mediators are presented.

研究の動機と目的

• 簡略化モデルとモノオブジェクト最終状態を用いたLHCにおけるダークマター探索の現状を要約すること。
• LHC探索と直接検出実験の間のパrameter空間探査における補完的性を示すこと。
• 部分的イベント再構成と$E^\textrm{miss}_\textrm{T}$に基づくトリガーを含む最近の実験的進展を提示し、低質量ダークマターおよび中間子への感度を拡張すること。
• 簡略化モデルの仮定の下で、null結果を$m_{\rm{DM}}$-$m_{\rm{med}}$および$m_{\rm{DM}}$-$\sigma_{\rm{DM}-p}^{\rm{sd}}$空間における除外限界に解釈すること。
• ヒッグスポータルが無色ヒッグス崩壊に与える役割と、ベクトルボソン融合生成が$\mathcal{B}_{\rm{inv}}$に与える感受性を強調すること。

提案手法

• $s$-チャネルの$s$-チャネル$\chi\overline{\chi}A$および$q\overline{q}A$頂点を用いて、ダークマター生成と相互作用をパrameter化する簡略化モデルフレームワークを採用する。
• モノオブジェクト最終状態のモデルに依存しない解釈のための有効頂点パラダイムを適用し、$X$ はジェット、光子、弱いボソン、ヒッグスボソンを含む。
• $E^\textrm{miss}_\textrm{T}$に基づくトリガーとオフライン選別を用いて、検出不能なダークマター対による未検出横方向エネルギーを同定する。
• 部分的イベント再構成技術を用いて、低二ジェットインバリアント質量のイベントを保存し、従来の2 TeVのしきい値未満での感度を実現する。
• $\sigma_{\rm{DM}-p}}^{\rm{sd}} \sim \left(g_q \cdot g_{\rm{DM}} \cdot \frac{m_{\rm{DM-p}}}{m_{\rm{med}}^2}\right)^2$ の関係を適用し、LHCの除外限界を直接検出断面積空間に変換する。
• モノジェット、モノ光子、モノヒッグス、二ジェット、ヒッグスの無色崩壊を含む複数のチャンネルの結果を統合し、統合除外限界を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおけるモノオブジェクト探索は、$m_{\rm{DM}}$-$m_{\rm{med}}$パラメータ空間において、直接検出実験とどのように補完的か？
• RQ2 従来の2 TeVの二ジェットしきい値未満の低質量ダークマターおよび中間子への感度を実現するための実験的手法は何か？
• RQ3 $E^\textrm{miss}_\textrm{T}$に基づくトリガーと部分的イベント再構成は、モノオブジェクトおよび二ジェット探索の到達範囲をどのように向上させるか？
• RQ4 ヒッグスボソンの無色最終状態への崩壊感度は何か？また、直接検出限界と比較してどうか？
• RQ5 結合定数の仮定（$g_q$, $g_{\rm{DM}}$）は、簡略化モデルフレームワークにおける除外境界の解釈にどのように影響するか？

主な発見

• モノジェット探索では、$E^\textrm{miss}_\textrm{T}$が増加するにつれて信号対背景比が向上し、800\,\textrm{GeV}で$\mathcal{O}(10^{-1})$に達する。これにより、高質量中間子への感度が得られる。
• $E^\textrm{miss}_\textrm{T}$オフライン選別しきい値の200\,\textrm{GeV}は、オンライントリガーの150\,\textrm{GeV}よりも高いが、背景抑制の必要性を反映している。
• 部分的イベント再構成により、ATLASとCMSは二ジェット探索の感度を2\,\textrm{TeV}のしきい値未満まで拡張し、より低い$m_{\rm{med}}$および$m_{\rm{DM}}$領域のカバーが可能になった。
• 二ジェット探索では、中間子が軽いクォークに崩壊する領域において$m_{\rm{DM}}$-$m_{\rm{med}}$空間で除外領域を示し、$m_{\rm{med}} \sim 1\,\textrm{TeV}$まで延びる。
• ベクトルボソン融合生成におけるヒッグスポータル探索では、$90\%$信頼水準での$\mathcal{B}_{\rm{inv}}$の上限が20\%であり、$m_{\rm{DM}} < m_H/2 \approx 75\,\textrm{GeV}$の領域をカバーする感度を持つ。
• LHCの$\sigma_{\rm{DM}-p}}^{\rm{sd}}$空間における除外限界は$10^{-44}$から$10^{-46}\,\textrm{cm}^2$の範囲にあり、特に低$m_{\rm{DM}}$において直接検出と補完的である領域をカバーしている。