[論文レビュー] Higher-order QCD predictions for dark matter production at the LHC in simplified models with s-channel mediators

Mihailo Backović, M. Krämer+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、LHCにおけるsチャネル媒介子を伴う簡略化モデルにおけるダークマター（DM）生成に関する次-leading-order（NLO）QCD補正を、FeynRules/MadGraph5_aMC@NLOフレームワークを用いて提示する。NLO QCD効果が全微分断面積および微分断面積、特に低媒介子質量状況において顕著に変化させることを示しており、理論的不確かさが低減され、K要因が最大で約2に達する一方、ジェット合体効果は形状や生成率にほとんど影響しない。

ABSTRACT

Weakly interacting dark matter particles can be pair-produced at colliders and detected through signatures featuring missing energy in association with either QCD/EW radiation or heavy quarks. In order to constrain the mass and the couplings to standard model particles, accurate and precise predictions for production cross sections and distributions are of prime importance. In this work, we consider various simplified models with s-channel mediators. We implement such models in the FeynRules/MadGraph5_aMC@NLO framework, which allows to include higher-order QCD corrections in realistic simulations and to study their effect systematically. As a first phenomenological application, we present predictions for dark matter production in association with jets and with a top-quark pair at the LHC, at next-to-leading order accuracy in QCD, including matching/merging to parton showers. Our study shows that higher-order QCD corrections to dark matter production via s-channel mediators have a significant impact not only on total production rates, but also on shapes of distributions. We also show that the inclusion of next-to-leading order effects results in a sizeable reduction of the theoretical uncertainties.

研究の動機と目的

• LHCにおけるsチャネル媒介子を伴うDM生成に関する正確なNLO QCD予測を提供すること。
• 高次のQCD補正がDM生成における全断面積および微分断面積に与える影響を評価すること。
• 特に欠落運動量（MET）＋ジェットおよびMET＋トップクォーク対の状況において、LOとNLO予測を比較することで理論的不確かさを低減すること。
• 高精度なLHCの素粒子物理学的現象論に適した、FeynRules/MadGraph5_aMC@NLOフレームワークにおけるDM簡略化モデルの実装を検証すること。
• Run IIにおけるLHCのDM検出に向けたNLO補正の現象論的意味を検討すること。これにはジェット多重度および形状効果が含まれる。

提案手法

• FeynRules/MadGraph5_aMC@NLOフレームワークを用いて、sチャネルのスピン0およびスピン1媒介子を伴うDM簡略化モデルを実装し、完全なNLO QCD計算を実行する。
• 最大2つのジェットおよびトップクォーク対を伴うDM生成に関するNLO断面積および微分断面積を計算する。
• FxFx合体スキームを適用して、部分素粒子レベルのNLOサンプルとパートンシャワーを統合し、正確なジェット多重度分布を保証する。
• スケールおよびPDFの不確かさを理論的誤差推定の代理として用い、LOとNLO結果を比較する。
• 主要な標準模型背景と比較して、高pT領域における信号対背景比の向上を評価する。
• 低質量媒介子状況におけるソフト／コリネア特異性に起因する大きなK要因を低減するためのMETカットの役割を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおけるsチャネル媒介子を介したDM生成に関して、NLO QCD補正は全断面積および微分断面積にどのように影響を与えるか？
• RQ2 MET＋ジェットおよびMET＋t\bar{t}最終状態の文脈において、NLO補正は理論的不確かさをどの程度低減するか？
• RQ3 NLOにおけるジェット合体効果は、METおよび2番目に運動量が大きいジェットのpT分布といった主要な分布の形状および生成率にどのような影響を与えるか？
• RQ4 「巨大K要因」が現れるパラメータ空間の領域はどこか、そしてMETカットがその影響をどのように抑制できるか？
• RQ5 スピン0媒介子モデルにおいて、DM–SM相互作用のコーナー構造を明らかにするために、t\bar{t}対のインヴァリアント質量分布の形状はどの程度有用か？

主な発見

• DMおよび媒介子質量が10–100 GeV程度の状況では、NLO QCD補正によりK要因が最大で約2に達し、LO予測から顕著に逸脱することが示された。
• 特に低質量媒介子領域では、スケールおよびPDFの変動に起因する理論的不確かさがLOからNLOに移行する際、顕著に低減された。
• DMおよび媒介子質量がO(100) GeV程度の状況では、NLO効果が2番目に運動量が大きいジェットの高pT尾部およびピロノリティ分布を正確に記述するために不可欠であり、補正が1桁の大きさに達する場合がある。
• モノジェット生成における巨大K要因は、低METおよび高ジェットpTのフェーズスペース領域に現れるが、十分に大きなMETカットを適用することで効果的に抑制できる。
• FxFxによるジェット多重度合体は、主要な分布の形状および全体の生成率にほとんど影響を及ぼさないため、これらの観測量に関してはFO NLO計算で十分であることが示された。
• 媒介子が軽量（≤ O(100) GeV）である場合、t\bar{t}対のインヴァリアント質量分布の形状は、DM–SM結合のコーナー構造に敏感であり、相互作用タイプの強力なプローブとなる。