[論文レビュー] Dark Matter Stabilization Symmetries and Long-Lived Particles at the Large Hadron Collider

Devin G. E. Walker|ArXiv.org|Jul 20, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）が、非パリティ対称性（例：Z₃、Z₂×Z₂、グローバルSU(3)）によって安定化されるダークマター理論と、伝統的なZ₂パリティによって安定化される理論とを、2つの長寿命粒子と大規模な欠落横断運動量（E_T/）の印跡によって区別できるかを調査する。非パリティモデルでは、このような信号が有効であるが、Z₂モデルではパリティ選択則のため信号が抑制されることを示している。10 fb⁻¹の積分流量において、S/√B ≈ 34.3（ATLAS）およびS/B ≈ 4.1の統計的有意水準が得られる。

ABSTRACT

Many popular models of new physics beyond the Standard Model use a parity to stabilize weakly interacting, dark matter candidates. We examine the potential for the CERN Large Hadron Collider to distinguish models with parity stabilized dark matter from models in which the dark matter is stabilized by other symmetries. In this letter, we focus on signatures involving long-lived particles and large amounts of missing transverse energy. To illustrate these signatures, we consider three models from the literature which are representative of a more general class of models with non-traditional stabilization symmetries. The most optimistic scenario can observe the proposed signature with a minimum of 10 inverse fb of integrated luminosity at design center of mass energy. It will probably take considerable longer to validate the stabilizing symmetry is not a simple parity. In all, we emphasize that the underlying symmetry that stabilizes weakly interacting dark matter has tremendous implications for the LHC and our understanding of the nature of dark matter.

研究の動機と目的

• LHCが非パリティ対称性によって安定化されるダークマター理論とZ₂パリティによって安定化される理論とを区別できるかを調査すること。
• Z₂モデルでは抑制されるが非パリティモデルでは有効な、2つの長寿命粒子と大規模なE_T/を特徴とする特徴的な衝突器印跡を同定すること。
• 代表的な非パリティ安定化モデルにおける、このような印跡の統計的有意水準と信号対背景比を定量化すること。
• ATLASおよびCMS検出器における長寿命粒子が通過する際のエネルギー損失と欠落エネルギーの堆積を推定するための高速検出器シミュレーションを開発すること。
• このような信号を観測し、その背後にある安定化対称性を区別するための流量要件を評価すること。

提案手法

• 代表的な非パリティ安定化モデル3つ（Pati-Salamゲージ理論（Z₂×Z₂）、Z₃対称性モデル、1 GeVのゲージボソンを有する軽い隠れセクター）の有効場理論を構築する。
• 長寿命粒子（ψ）と欠落横断運動量（E_T/）を含む主要な生成過程を特定する。具体的には、標準模型に類似した結合、ヒッグスまたはゲージボソンの交換によるψψ̄生成を含む。
• 主要な標準模型背景（例：Z → νν̄）を抑制するため、運動量的および角度的カット（例：cosφ < -0.9）を適用する。
• 長寿命粒子がATLASおよびCMS検出器を通過する際のエネルギー損失と欠落エネルギーの堆積をモデル化する高速検出器シミュレーションを用いる。
• 実際の検出器の受容域と背景推定を用いて、10 fb⁻¹の積分流量における統計的有意水準（S/√B）と信号対背景比（S/B）を計算する。
• モデルおよび検出器（ATLAS対CMS）間での信号収量を比較し、Z₂抑制信号と非パリティ強化信号の区別に重点を置く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCは、長寿命粒子の印跡を用いて、非パリティ対称性によって安定化されるダークマター理論とZ₂パリティによって安定化される理論とを区別できるか？
• RQ2 なぜZ₂パリティ安定化理論では、2つの長寿命粒子と大規模なE_T/を伴う印跡が抑制されるのか？
• RQ3 10 fb⁻¹の流量において、非パリティ安定化モデルにおけるこのような信号の統計的有意水準は何か？
• RQ4 検出器効果（例：コロイメータでのエネルギー損失）は、長寿命粒子の欠落エネルギー印跡にどのように影響するか？
• RQ5 非パリティ安定化モデルにおいて、統計的に有意な信号を観測するために必要な流量は何か？

主な発見

• Z₂パリティ安定化理論では、パリティ選択則により最終状態に奇数個のパリティ奇数粒子が含まれないため、2つの長寿命粒子と大規模なE_T/を伴う信号が抑制される。
• 300 GeVの長寿命ψ粒子を有するPati-Salamモデルでは、10 fb⁻¹の流量でS/√B = 34.3（ATLAS）およびS/B = 4.1に達する。
• 1 GeVのゲージボソンを有する軽い隠れセクターでは、300 GeVのψ粒子に対してS/√B = 5.33（ATLAS）およびS/B = 0.63が10 fb⁻¹で得られ、100 fb⁻¹では有意水準がさらに高まる。
• CMS検出器は、高E_T/イベントの分解能と受容域が優れているため、同じモデルでATLASよりも高い有意水準を達成する。
• 高速検出器シミュレーションは、長寿命粒子からのエネルギー損失を正確にモデル化でき、ATLASおよびCMSにおける欠落エネルギーの信頼性の高い推定を可能にする。
• 300 GeVのψ粒子が最も有望であり、100 fb⁻¹の流量でATLASでは有意水準が30を超え、CMSでは70を超える。