[論文レビュー] Phenomenological Constraints on Anomaly-Free Dark Matter Models

John Ellis, Malcolm Fairbairn+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、Z'ゲージボソンを伴う異常自由なU(1)'ダークマター模型について、XENON1T直接検出、LHCモノジェットおよび二レプトン探索、および電弱精度測定からの臨界的制約を検討する。特に、$ m_\chi \simeq M_{Z'}/2 $ の近傍に狭い許容領域が存在し、特にベクトル型およびレプトフォビック模型で顕著であるが、軸性結合はほとんどすべてのパラメータ領域で除外される。一方、現在の実験的制約を回避できる有効なパラメータ空間が存在する。

ABSTRACT

We study minimal benchmark models of dark matter with an extra anomaly-free U(1)' gauge boson Z'. We find model parameters that give rise to the correct cosmological dark matter density while evading the latest direct detection searches for dark matter scattering produced by the XENON1T experiment, including the effects of Z-Z' mixing. We also find regions of parameter space that evade the constraints from LHC measurements of dileptons and dijets, precision electroweak measurements, and LHC searches for monojet events with missing transverse energy. We study two benchmark Z' models with Y-sequential couplings to quarks and leptons, one with a vector-like coupling to the dark matter particle and one with an axial dark matter coupling. The vector-like model is extremely tightly constrained, with only a narrow allowed strip where $m_χ\simeq M_{Z'}/2$, and the axial model is excluded within the parameter range studied. We also consider two leptophobic Z$^\prime$ benchmark models, finding again narrow allowed strips where $m_χ\simeq M_{Z'}/2$ as well as more extended regions where $\log_{10} (m_χ/ { m GeV}) \gtrsim 3.2$.

研究の動機と目的

• 異常自由なU(1)'ダークマター模型にZ'ゲージボソンを含む場合、宇宙論的残り質量密度を満たし、直接検出の制約を回避するパラメータ領域を同定すること。
• 二レプトン、ジジェット、および運動量未測定のモノジェット事象を伴うLHC探索からの制約を評価すること。
• SおよびTパラメータ、特にZ–Z'混合を含めたρパラメータを用いた電弱精度測定からの制約を評価すること。
• ベクトル型と軸性ダークマター結合の間の臨界的妥当性を比較し、Y-逐次的とレプトフォビックなZ'結合の違いを検討すること。
• MadGraphを用いたリキャスト手法によるLHCモノジェット探索の再解釈を検証し、公開済みのATLAS結果と整合することを確認すること。

提案手法

• クォークおよびレプトンと結合する生成子独立な結合を持つU(1)'ゲージボソンZ'を伴う最小限の異常自由なダークマター模型を構築する。
• 運動エネルギーおよび質量混合項を介してZ–Z'混合を実装し、混合角ξを混合行列から導出する。低質量Z'領域ではρパラメータを用いる。
• Z'交換を介したダークマター–核子散乱をモデル化し、Z–Z'混合の効果を含めて、XENON1T直接検出からの制約を適用する。
• MadGraphにおけるスケーリング手順を用いて、ATLAS 36.1 fb⁻¹のモノジェット探索結果を再解釈し、Z'質量および幅の関数として除外要因μを計算する。
• SおよびTパラメータを用いてZ'が電弱精度観測量に与える寄与を制約し、$ M_{Z'} < \sqrt{2} M_Z $ の領域ではρパラメータを用いる。
• 特に電磁レプトンに結合するモデルに対して、LHCデータからの二レプトン共鳴状態の制約を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異常自由なZ'ダークマター模型において、観測されたダークマターの残り質量密度を満たし、XENON1T直接検出の制約を回避するパラメータ領域はどこか？
• RQ2 運動量未測定のモノジェット探索によるLHC探索が、ベクトル型および軸性ダークマター模型におけるZ'質量および結合定数をどの程度制約するか？
• RQ3 S、T、およびρパラメータを含む電弱精度測定は、Z'模型の有効パラメータ空間をどの程度制限するか？
• RQ4 Y-逐次的とレプトフォビックなZ'結合は、現在の実験的制約下でどのように臨界的妥当性に差を示すか？
• RQ5 スケーリング手法を用いたLHCモノジェット探索のリキャストは、公開済みの除外限界を正確に再現できるか？また、Z'幅および結合定数にどの程度感度があるか？

主な発見

• ベクトル型ダークマター結合模型は、直接検出およびLHC探索からの強い制約により、$ m_\chi \simeq M_{Z'}/2 $ の近傍にのみ狭い許容帯域が存在する。
• 軸性ダークマター結合模型は、XENON1TおよびLHCモノジェット探索からの厳しい制約により、研究した全パラメータ範囲で除外される。
• レプトフォビックZ'模型は、より広範な有効パラメータ空間を許容し、$ m_\chi \simeq M_{Z'}/2 $ の近傍に狭い帯域に加え、$ \log_{10}(m_\chi / \text{GeV}) \gtrsim 3.2 $ の追加領域も存在する。
• LHCモノジェット探索は、IM9領域（$ E_{T,\text{miss}} > 800 $ GeV）において高質量Z'に最も感度が高く、低質量Z'はIM1（$ E_{T,\text{miss}} > 250 $ GeV）で最も制約が厳しい。
• MadGraphを用いたスケーリング手法によるリキャストは、軸ベクトル簡略化モデルにおいて、公開済みのATLAS結果を正確に再現でき、手法の妥当性が裏付けられた。
• レプトフォビック模型では、運動エネルギー混合がループレベルで生成されるが、100 TeVスケールでは保守的にゼロと設定され、低スケールへの対数的ランギングが行われる。