[論文レビュー] LHC Dark Matter Working Group: Next-generation spin-0 dark matter models

Tomohiro Abe, Y. Afik+51 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 143被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、簡略化された擬スカラー暗黒物質モデルをゲージ不変で可重整化可能な2ヒッグスダブルレットモデルに拡張し、追加の擬スカラー中間子を加えた理論的に整合性のある次世代スピン0暗黒物質フレームワーク「2HDM+a」を提案する。LHCにおける複数のモノXプロセスで豊富なフェノメノロジーを示し、LHC、直接検出、間接検出、および残存密度の制約と照らし合わせたベンチマークスキャンを提供しており、正確な残存密度が達成される $ m_\chi \simeq M_a/2 $ におけるDM質量領域でLHCがすでに探査可能であることが示されている。

ABSTRACT

Dark matter (DM) simplified models are by now commonly used by the ATLAS and CMS Collaborations to interpret searches for missing transverse energy ($E_T^\mathrm{miss}$). The coherent use of these models sharpened the LHC DM search program, especially in the presentation of its results and their comparison to DM direct-detection (DD) and indirect-detection (ID) experiments. However, the community has been aware of the limitations of the DM simplified models, in particular the lack of theoretical consistency of some of them and their restricted phenomenology leading to the relevance of only a small subset of $E_T^\mathrm{miss}$ signatures. This document from the LHC Dark Matter Working Group identifies an example of a next-generation DM model, called $ extrm{2HDM+a}$, that provides the simplest theoretically consistent extension of the DM pseudoscalar simplified model. A comprehensive study of the phenomenology of the $ extrm{2HDM+a}$ model is presented, including a discussion of the rich and intricate pattern of mono-$X$ signatures and the relevance of other DM as well as non-DM experiments. Based on our discussions, a set of recommended scans are proposed to explore the parameter space of the $ extrm{2HDM+a}$ model through LHC searches. The exclusion limits obtained from the proposed scans can be consistently compared to the constraints on the $ extrm{2HDM+a}$ model that derive from DD, ID and the DM relic density.

研究の動機と目的

• 既存のLHC暗黒物質簡略化モデルにおける理論的不整合とフェノメノロジーの限界を解消すること。
• 簡略化された擬スカラーDMモデルの次世代のゲージ不変で可重整化可能な拡張を提案すること。
• モノXシグネチャが豊富で、LHC、直接検出、間接検出、および残存密度からのクロス実験的制約を受けるモデルを同定すること。
• LHC探索と非LHCのDM制約を一貫して比較可能な、推奨されるパラメータスキャンを提供すること。

提案手法

• 2HDM+aモデルは、DM相互作用を媒介する追加のシングレット擬スカラー粒子を有する2ヒッグスダブルレットモデルとして構築される。
• 効率的なイベント生成のための5フレーバー方式（5FS）に埋め込まれ、イベント生成にはMadGraph5_aMC@NLO、パートンシャワイングにはPYTHIA 8.2が使用される。
• グルーオン融合およびクォーク反クォーク融合プロセスを介して、モノジェット、モノヒッグス（b\bar{b}）、モノZ（l+l-）シグネチャが生成される。
• ヒッグスおよびフラバー物理学、電弱精度測定、真空安定性、および追加のスピン0状態に対するLHC探索からの制約が体系的に評価される。
• 理論的整合性とフェノメノロジカル関連性に基づいてベンチマークポイントが選定され、感度が最適化される $ \sin\theta \approx 0.35 $ に重点が置かれる。
• 感度推定は $ E_T^{\text{miss}} $ バインディングを用い、既存のLHC限界（例：[160]）から導出された不確実性を含む。

Figure 1 : Range of momenta probed in DD experiments, ID experiments and LHC searches. Prototypes of relevant Feynman diagrams are also shown.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的に整合性があり、可重整化可能な簡略化された擬スカラーDMモデルの拡張は、既存の簡略化モデルの欠陥を回避できるか？
• RQ2 2HDM+aモデルはモノXシグネチャにおいてどの程度のフェノメノロジカル豊かさを示し、どのLHC探索チャンネルが最も感度が高いか？
• RQ3 直接検出、間接検出、観測された暗黒物質の残存密度の制約は、2HDM+aのパラメータ空間においてLHCの除外限界とどのように比較されるか？
• RQ4 正確な残存密度を再現するモデルに対して、LHCがどのDM質量で感度を示すか？
• RQ5 2HDM+aモデルにおける将来のLHC探索とクロス実験的比較に最適なベンチマークパラメータポイントはどれか？

主な発見

• 2HDM+aモデルは、簡略化された擬スカラーDMモデルのゲージ不変で可重整化可能な拡張により理論的整合性を達成する。
• モデルはモノジェット、モノヒッグス（b\bar{b}）、モノZ（l+l-）を含む、豊富なモノXシグネチャのパターンを示し、複数のチャネルで顕著な感度を示す。
• LHC探索は、正確な残存密度が自然に達成される $ m_\chi \simeq M_a/2 $ に対応するDM質量まで、$ m_\chi \simeq 125\,\text{GeV} $ まで感度を有している。
• $ \sin\theta = 0.35 $ のベンチマークは、$ \sin\theta = 0.15 $ や $ 0.7 $ と比較してモノヒッグス探索における感度が向上し、LHC研究において最適である。
• ヒッグスおよびフラバー物理学、電弱精度測定、真空安定性からの制約によりモデルのパラメータ空間は制限され、$ M_a \sim 200-350\,\text{GeV} $ の範囲で有効な領域が存在する。
• 提案されたベンチマークスキャンにより、LHCの結果と直接検出、間接検出、観測された暗黒物質の残存密度 $ \Omega h^2 $ からの制約を一貫して比較可能となる。

Figure 2 : Diagrams contributing to the $qb\to q^{\prime}ta$ (upper row) and $gg\to Za$ (lower row) scattering processes. Only the graphs on the left-hand side appear in the DM simplified model with a pseudoscalar, while in the 2HDM+a model in addition the diagrams on the right-hand side are present