[論文レビュー] Kaluza-Klein Dark Matter: Direct Detection vis-a-vis LHC (IDM 2008 proceeding)

S. Arrenberg, L. Baudis+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、普遍的 extra次元（UED）モデルにおけるKaluza-Klein暗黒物質を調査し、直接検出実験とLHCが、軽いKaluza-Kleinパートナ（LKP）候補のパラメータ空間を効果的に補完的に探査できることを示している。コラボレーションによる制約、直接検出感度、および宇宙論的残存密度制限を組み合わせることで、特に5次元UEDの$γ_1$ LKPに対して、ほぼすべての関連パラメータ空間をカバー可能であることが示され、共同崩壊と質量スプリングが検出可能性を決定づける重要な役割を果たすことが強調されている。

ABSTRACT

We explore the phenomenology of Kaluza-Klein (KK) dark matter in very general models with universal extra dimensions (UEDs), emphasizing the complementarity between high-energy colliders and dark matter direct detection experiments. In models with relatively small mass splittings between the dark matter candidate and the rest of the (colored) spectrum, the collider sensitivity is diminished, but direct detection rates are enhanced. UEDs provide a natural framework for such mass degeneracies. We consider both 5-dimensional and 6-dimensional non-minimal UED models, and discuss the detection prospects for various KK dark matter candidates: the KK photon γ_1 (5D) the KK Z-boson Z_1 (5D) and the spinless KK photon γ_H (6D). We combine collider limits such as electroweak precision data and expected LHC reach, with cosmological constraints from WMAP and the sensitivity of current or planned direct detection experiments. Allowing for general mass splittings, we show that neither colliders, nor direct detection experiments by themselves can explore all of the relevant KK dark matter parameter space. Nevertheless, they probe different parameter space regions and the combination of the two types of constraints can be quite powerful. For example, in the case of γ_1 in 5D UEDs the relevant parameter space will be almost completely covered by the combined LHC and direct detection sensitivities expected in the near future.

研究の動機と目的

• 一般のUEDモデルにおけるKaluza-Klein暗黒物質の素描的性質を調査すること。
• 高エネルギー衝突実験（LHC）と直接検出実験が、Kaluza-Klein暗黒物質候補のパラメータ空間をどのように補完的に探査できるかを評価すること。
• LKPとそれより重いKK状態との間の質量スプリングが、直接検出断面積および衝突実験のシグナルに与える影響を調査すること。
• $γ_1$、$Z_1$、$γ_H$のようなLKP候補の残存密度計算における共同崩壊の役割を評価すること。
• LHC、直接検出実験、および宇宙論的制約の組み合わせによる、UED暗黒物質の全パラメータ空間の制約能力を特定すること。

提案手法

• クォーク、ゲージボソン、ヒッグスボソンを含む、LKPと他のKK状態との間の一般化された質量スプリングを考慮した5次元および6次元のUEDシナリオのモデリング。
• すべての関連するKK粒子からの共同崩壊寄与を含むボルツマン方程式を用いた有効な残存密度の計算。
• KKクォークおよびヒッグスボソンを介する一次元交換ダイアグラムによる、スピン不変LKP-核子散乱断面積の計算。
• 電弱精度データ、WMAPの2σ残存密度制限、および現在および将来の直接検出実験（CDMS、XENON10、トンスケール検出器）からの制約の適用。
• 100 fb⁻¹の統計量を用いた$4\ell + \cancel{E}_T$チャネルを用いて、LHCの到達範囲を予測し、大きな質量スプリングに対する感度を特定。
• 異なるプローブからの除外限界を比較するため、$\Delta$ 対 $m_{LKP}$ および $m_h$ 対 $m_{LKP}$ 平面におけるパラメータ空間のマッピング。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LKPとそれより重いKK状態との間の質量スプリングは、UEDモデルにおける直接検出断面積および衝突実験シグナルにどのように影響を与えるか？
• RQ2 LHCと直接検出実験は、個別および共同で、Kaluza-Klein暗黒物質のパラメータ空間をどの程度まで制約できるか？
• RQ3 共同崩壊はLKPの残存密度にどのような影響を及ぼし、それが宇宙論的制約にどのように関与するか？
• RQ4 ヒッグス質量の変動は直接検出感度にどのような影響を及ぼし、許容可能なパラメータ空間においてヒッグス交換寄与は重要か？
• RQ5 LHC、直接検出、および宇宙論的制約の組み合わせにより、$γ_1$、$Z_1$、$γ_H$ LKP候補の有効なパラメータ空間を完全にカバーできるか？

主な発見

• 5次元UEDの$γ_1$ LKPに対しては、LHCと直接検出感度の組み合わせにより、ほぼすべての有効なパラメータ空間がカバー可能であると予想される。
• 直接検出実験は、小さな質量スプリング（$\Delta \lesssim 50\%$）に対して最も感受性が高く、現在の実験ではすでに小さな$\Delta$値が除外されており、将来のトンスケール検出器は残りのパラメータ空間の大部分をカバーする見込みである。
• LHCは大きな質量スプリングに対してより感受性が高く、100 fb⁻¹の統計量により、$\gamma_1$の$\Delta$ 対 $m_{LKP}$ 平面におけるイエローシェイド領域がカバー可能と予想される。
• 共同崩壊は$γ_1$および$Z_1$の残存密度予測を顕著に減少させ、その効果は非単調的であり、特定の質量スペクトルに依存する。
• ヒッグス交換は直接検出断面積に寄与するが、その影響は主に、すでに除外済みのパラメータ空間に限定されており、二次的役割を果たすにとどまる。
• WMAPの制約により、最小的UEDモデルにおける$\gamma_1$のLKP質量は約500 GeV未満に制限されるが、LKPが全暗黒物質の一部しか寄与しない場合、より厳しい制限が得られる。