[論文レビュー] Multi-scalar signature of self-interacting dark matter in the NMSSM and beyond

Jinmian Li, Junle Pei+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 81被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、一般化されたNMSSMにおける自己相互作用的ダークマター（SIDM）断面積の改善された解析的モデルを提案し、ボルンレベルの効果を組み込み、ヒッグスノ中間子崩壊に起因するマルチスカラー・ショワをモンテカルロシミュレーションで提示する。軽いスカラー媒介子と高い最終状態スカラーの多重性を示すベンチマーク点（NMSSM内および外）を同定し、最大20個のφ粒子が生成され、レプトンジェットやSUEPパターンのような特徴的なLHCのシグネチャをもたらす。

ABSTRACT

This work studies the self-interacting dark matter (SIDM) scenario in the general NMSSM and beyond, where the dark matter is a Majorana fermion and the force mediator is a scalar boson. An improved analytical expression for the dark matter (DM) self-interacting cross section which takes into account the Born level effects is proposed. Due to the large couplings and light mediator in SIDM scenario, the DM/mediator will go through multiple branchings if they are produced with high energy. Based on the Monte Carlo simulation of the showers in the DM sector, we obtain the multiplicities and the spectra of the DM/mediator from the Higgsino production and decay at the LHC for our benchmark points.

研究の動機と目的

• ボルンレベルの効果を含む、暗黒物質自己相互作用断面積のより良い解析的推定を実現すること。
• 小スケール構造、リリック密度、直接検出制約を満たす一般化されたNMSSM内の実現可能なベンチマーク点を同定すること。
• モンテカルロ手法を用いてDMセクター内のDMおよびスカラー媒介子のマルチステップ分岐ショワをシミュレートすること。
• 特に高い最終状態多重性を示す状況において、軽いスカラー媒介子を伴う自己相互作用的ダークマターのLHCシグネチャを調査すること。
• 単純なSIDMモデルにおけるビッグバン核合成（BBN）制約と直接検出制約の矛盾を、NMSSMを超えたモデル拡張によって緩和すること。

提案手法

• ヤーコフポテンシャルへのボルンレベル補正を組み込んだ非相対論的DM自己相互作用断面積の改善された解析的式を提案する。
• ヤーコフポテンシャルを用いたシュレーディンガー方程式を用いて位相シフトおよび散乱振幅を計算する。
• DMのリリック密度および直接検出限界と整合するパラメータースキャンをNMSSMで実施する。
• スダコフ形式因子に基づくマルコフ過程を実装し、DMおよびスカラー媒介子のマルチステップ分岐ショワをシミュレートする。
• LHCにおけるヒッグスノ中間子対生成および崩壊のモンテカルロシミュレーションを実施し、φおよびχの最終状態多重度および運動量スペクトルを追跡する。
• レプトンジェットやソフト非クラスタリングエネルギーパターン（SUEP）などの加速器シグネチャを、高いスカラー多重度を持つベンチマーク点について分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己相互作用的ダークマターにおける自己相互作用断面積を、ボルンレベルの効果を含めてより正確に解析的に推定する方法は何か？
• RQ2 小スケール構造問題、正しいリリック密度、直接検出制約を満たす一般化されたNMSSM内の実現可能なベンチマーク点とは何か？
• RQ3 マルチステップ分岐過程（例：φ →φφ および χ →φχ）は、高エネルギーLHC過程におけるDMおよび媒介子の最終状態多重度およびスペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ4 これらのマルチスカラー最終状態における支配的となるLHCシグネチャ（例：レプトンジェットやSUEP）は何か、そしてそれらは媒介子の質量および結合定数にどのように依存するか？
• RQ5 単純なSIDMモデルにおけるBBN制約と直接検出制約の矛盾を、NMSSMを超えたモデル拡張によってどのように緩和できるか？

主な発見

• 改善された解析的断面積式は、スキャンされたパラメータ点全体で約10％の相対差異を示し、数値結果と良好な一致を示す。
• NMSSM内のベンチマーク点（i）では、φ →φφ分裂が優勢であるため、最大で約20個の最終状態φ粒子が生成され、ヒッグスノ中間子がシングレットスカラーとシングレチノに崩壊する分支比は約10−3である。
• ベンチマーク点（ii）では、より高い生成断面積（8.95 fb）を示し、同様に高いφ多重度を示す。低pTレプトンが標準的なジェット選別を回避するため、シグネチャはSUEPにシフトする。
• κ = 2.5のNMSSMを超えたモデルでは、χ →φχ分裂が顕著になり、1イベントあたり約3〜4個の高確率φ粒子が生成される。
• 最終状態スカラーおよびダークマターのpTスペクトルが計算され、それらは媒介子の質量および結合定数に応じて特徴的な形状を示し、LHC探索戦略に影響を及ぼす。
• 既存のレプトンジェットおよびSUEP探索は、本研究で検討されたベンチマーク点に対して最適でないことが判明し、LHCにおける新たな専用探索戦略の必要性が示唆される。