[論文レビュー] Observing the Coupling between Dark Matter and Higgs Boson at the ILC

Shigeki Matsumoto, H. Fujii+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 8被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、ダークマターがスカラー、フェルミオン、またはベクトル粒子である場合を想定し、国際線形衝突機器（ILC）がヒッグスボソンとダークマターの間のヒッグスポータルカップリングを測定する感度を調査する。500 GeV未満の中心系エネルギーでの非可視ヒッグス崩壊およびヒッグスストレーリング過程を用いて、ダークマター質量がヒッグスボソン質量の半分未塔の場合、高い有意水準でカップリングを検出可能であり、質量の閾値を超える特定の高カップリング領域では、直接検出実験と照合可能な情報を得られる。

ABSTRACT

One of the main purposes on physics at the International Linear Collider (ILC) is to study the property of dark matter such as its mass, spin, and interactions between the dark matter and particles in the standard model. Among those, the interaction between dark matter and higgs boson is important, because, if the dark matter is a weakly interacting massive particle, the existence of the dark matter is expected to relate to physics of electroweak symmetry breaking. In addition, the interaction plays an important role at direct detection experiments of dark matter. In this report, we discuss how accurately the coupling constant of the interaction can be measured at the ILC with the center of mass energy less than 500 GeV.

研究の動機と目的

• 弱い相互作用を示す大質量粒子（WIMP）ダークマターモデルにおける主要な相互作用である、ダークマターとヒッグスボソンのカップリングを測定するILCの能力を評価すること。
• 中心系エネルギーが500 GeV未満の条件下で、このカップリングが測定可能なパラメータ空間（ダークマター質量とカップリング強度）を特定すること。
• LHCおよびCDMSやXENON100のような直接検出実験と比較して、ILCの感度を評価すること。
• ダークマター質量がヒッグスボソン質量の半分未塔の場合（m_DM < m_h/2）に非可視ヒッグス崩壊を、半分以上の場合（m_DM ≥ m_h/2）にヒッグスストレーリング過程を用いてダークマターを検出可能かどうかを評価すること。
• 異なるダークマタースピンタイプにおける期待される感度を定量することで、将来の衝突実験および直接検出実験のベンチマークを提供すること。

提案手法

• 本研究では、Z₂対称性を持つ相互作用を介してダークマターがヒッグスボソンと結合するヒッグスポータルのシナリオを採用し、スカラー、フェルミオン、ベクトルダークマターの3つのケースを検討する。
• m_DM < m_h/2 の場合、信号はヒッグスボソンの非可視崩壊（h → 2DM）を通じて分析され、非可視モードのブランチ比が100%に近い条件で、運動量再構成とイベント数計数が用いられる。
• m_DM ≥ m_h/2 の場合、信号はe⁺e⁻ → h*Z → 2DM + q̄qというヒッグスストレーリング過程を通じて分析され、2つのエネルギーの高いクォーランジェットと大きな欠落エネルギーが特徴である。
• W⁺W⁻、ZZ、ννZ、e⁺e⁻Z、e±νW∓ などのバックグラウンドは、タギングジェットから再構成されたZボソンの運動量にカットを適用することで抑制される。
• 信号とバックグラウンドを区別するために尤度解析が適用され、検出の95%信頼水準（C.L.）の閾値は、信号断面積が0.7–0.8 fb以上に達する条件として設定されている。
• 解析ではヒッグスボソン質量を120 GeVと仮定し、高質量領域では√s = 300 GeV、2 ab⁻¹の統合 luminosity を、低質量領域では1 ab⁻¹を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークマター質量がヒッグスボソン質量の半分未満の場合、ILCはヒッグスポータルカップリングをどの程度の感度で検出可能か？
• RQ2 ダークマター質量がヒッグスボソン質量の半分を超える場合、ILCはヒッグスポータルカップリングを検出可能か？その条件は何か？
• RQ3 同じカップリングを測定するにあたり、ILCの感度はLHCおよびCDMSやXENON100のような直接検出実験と比較してどうか？
• RQ4 ヒッグスストレーリング信号（e⁺e⁻ → 2DM + q̄q）を支配的である標準模型バックグラウンドから区別するための運動量的および解析的手法は何か？
• RQ5 同じ実験で非可視ヒッグス崩壊とヒッグスストレーリング過程の両方を用いて、ヒッグスポータルカップリングの相互確認が可能か？

主な発見

• ダークマター質量が60 GeV未満（m_h/2 = 60 GeV）であり、ブランチ比が0.95%を超える場合、ILCは非可視ヒッグス崩壊（h → 2DM）を通じてヒッグスポータルカップリングを検出可能である。
• m_DM ≥ m_h/2 の領域では、√s = 300 GeV、2 ab⁻¹の統合 luminosity を用い、運動量カット後の信号断面積が0.7–0.8 fbを超える場合、95% C.L. で信号を検出可能である。
• m_DM < m_h/2 の領域において、ILCの感度はカップリングが非ゼロであるパラメータ空間の大部分をカバーしており、特にスカラーおよびフェルミオンダークマターにおいて顕著である。
• m_DM ≥ m_h/2 の領域では、大きなカップリング定数が必須であり、より洗練された解析手法を用いることで信号対バックグラウンド比を向上させられる。
• ILCの検出領域は、XENON100 や SuperCDMS のような直接検出実験と重複しており、m_DM < m_h/2 の場合にヒッグスポータルカップリングの非自明な相互確認が可能である。
• 現在の直接検出実験（CDMS II、XENON100）は、m_DM ≥ m_h/2 の領域でILCがカバーするパラメータ空間の多くをすでに排除しているが、解析手法の改善によりILCの感度が向上する可能性がある。