[論文レビュー] Physics performance for Dark Matter searches at $\sqrt{s}=$ 3 TeV at CLIC using mono-photons and polarised beams

J.J. Blaising, P. Roloff+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 6被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、極化された電子ビームを用いて、√s = 3 TeVにおけるコンパクト線形クライスタルコライダー（CLIC）が、モノ光子最終状態を通じてダークマターへの感受性を評価する。左回りおよび右回りのビーム極化を活用して標準模型のバックグラウンドを抑制し、光子エネルギー分布に対するカイ二乗フィットを実施することで、1 TeVのWIMPに対して1%の質量分解能を達成し、強い結合に対しては9 TeVまでの簡略化されたダークマター模型を除外可能となる。これにより、媒介子およびWIMP質量の高精度な識別が可能となる。

ABSTRACT

The potential for detecting DM at the Compact Linear Collider (CLIC) is investigated at \mbox{$\sqrt{s}=$ 3 TeV}. The sensitivity of the search is estimated by computing the 95\% confidence level upper limit cross section as a function of the dark matter mass. Left-handed (right-handed) polarised \Pem beams increase (decrease) respectively the Standard Model backgrounds and are essential to characterize the WIMPs properties and control the systematic errors. Using right-handed polarised \Pem beams is decreasing significantly the 95\% confidence level cross section. Using the ratio of the energy distributions for left-handed and right-handed polarised \Pem beams, systematic errors cancel out. Computing the 95\% confidence level upper limit cross section using the ratio requires a model assumption to compute the expected number of signal events. Exclusion limits for dark matter are derived using dark matter Simplified Models for two values of the e-e-mediator vertex coupling, a mediator width of 10 GeV and for a fixed value of the mediator-DM-DM coupling. For a mediator mass of 3.5 TeV, the measurement of the differential distribution of the significance as a function of the photon energy for the process \mbox{\Pem \Pep $ o$ X X \PGg} allows the discrimination between different dark matter mediators and the measurement of the WIMP mass to nearly half the centre-of-mass energy. For a \mbox{1 TeV} WIMP, the mass is determined with a 1\% accuracy.

研究の動機と目的

• 弱い力で相互作用する大質量粒子（WIMP）をダークマター候補として検出するためのCLIC（√s = 3 TeV）の物理学的ポテンシャルを評価すること。
• 電子ビームの極化が標準模型のバックグラウンドをどのように低減させ、ダークマター信号への感度を向上させるかを調査すること。
• 微分的有意度分布を用いて、簡略化されたダークマター模型における異なる媒介子タイプ（ベクトル型、軸性ベクトル型）を識別する手法を開発すること。
• 光子エネルギー依存の有意度分布に対するカイ二乗フィットを用いて、高精度なWIMP質量決定を達成すること。
• 異なる媒介子結合と質量を想定した簡略化されたダークマター模型における除外限界を導出すること。

提案手法

• WHIZARD 2を用いて、√s = 3 TeVにおけるe⁻e⁺ → XXγ過程をシミュレートし、光子の運動量を正確に再現するため、最大3個の光子を含む完全な行列要素計算を実施する。
• CLICビームシミュレーション（GuineaPig）を用いてビームエネルギー分散をモデル化し、circe2を介してWHIZARDに統合して、光度スペクトル効果を反映させる。
• 初期状態放射（ISR）光子が行列要素光子と重複するイベントを排除するためのマージング手順を実装し、現実的な光子検出運動量を保証する。
• 信号感度とバックグラウンド抑制を抽出するために、光子エネルギーの関数としての微分的有意度分布dZ/dEγを計算する。
• 疑似データとdZ/dEγのテンプレート分布との間でカイ二乗フィットを実施し、最良の適合媒介子タイプとWIMP質量を同定する。
• 左回りおよび右回りの極化ビームにおけるバックグラウンド効率（Rb）および信号＋バックグラウンド効率（Rb+s）の比を用いて、システム的不確実性を相殺する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 極化された電子ビームを用いたCLIC（√s = 3 TeV）は、モノ光子最終状態を通じてダークマターにどの程度感受性を示すか？
• RQ2 電子ビームの極化（左回りまたは右回り）は、標準模型のバックグラウンド低減およびWIMP質量測定の精度にどのように影響するか？
• RQ3 微分的有意度分布dZ/dEγは、簡略化されたダークマター模型におけるベクトル型および軸性ベクトル型媒介子仮説を識別するために使用可能か？
• RQ4 dZ/dEγ分布に対するカイ二乗フィットを用いることで、WIMP質量の決定精度はどの程度達成可能か？
• RQ5 異なる媒介子結合とWIMP質量を想定した簡略化されたダークマター模型における除外限界は何か？

主な発見

• 右回り極化電子ビームを用いることで、交差断面積の95%信頼区間上限が顕著に低下し、ダークマター信号への感受性が向上する。
• 左回りおよび右回り極化ビームの効率比を用いることで、システム的不確実性が相殺され、信号モデルとバックグラウンドモデルの間で頑健な比較が可能になる。
• 1 TeVのWIMPおよび3.5 TeVの媒介子質量に対して、dZ/dEγ分布のカイ二乗フィットを用いて、WIMP質量を1%の精度で同定できる。
• ベクトル媒介子のフィットでは最小カイ二乗値が15.6で、最良適合質量は1019⁺⁷₋₇ GeVである一方、軸性ベクトル媒介子では最小カイ二乗値が9.0で、最良適合質量は1012⁺⁸₋₈ GeVである。
• 媒介子-ダークマター結合定数geY = 1の場合、簡略化モデルにおいて9 TeVまでの除外限界が得られるが、geY = 0.1の場合には4 TeVまでである。
• 正規化を組み合わせた手法により、カイ二乗値が近いにもかかわらず、ベクトル-ベクトル仮説は明確に除外され、ベクトル型と軸性ベクトル型の媒介子仮説を成功裏に識別できた。