[論文レビュー] Polarization effects due to dark matter interaction between massive standard particles

Fernand M. Renard|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、高エネルギー $e^+e^-$ 衝突における最終状態のダークマター（DM）相互作用——特に $t\bar{t}$、$ZZ$、$W^+W^-$ プロセスにおいて——がトップクォーク、$W$、$Z$ ボソンのスピン化に与える影響を調査する。DM 相互作用がヘリシティ保存的またはヘリシティ破壊的であるかに応じて、トップクォークのスピン化が顕著に変化することを示しており、一方、$W_L$ および $Z_L$ の縦スピン化は、標準模型（SM）ゲージキャンセレーションからのわずかなずれに対しても極めて感受性を示す。これは、標準模型を超える新しい物理の強力なプローブである。

ABSTRACT

We propose deeper tests of the existence of DM interactions between heavy particles in $e^+e^-\ o t\\bar t, ZZ, W^+W^-$ by looking at the effects on final state polarization. We show that indeed $t$, $W$ and $Z$ polarization are particularly sensitive to the structure of these interactions, to their relation with the origin of the masses and to the quantum numbers of the possibly exchanged dark particles.

研究の動機と目的

• 最終状態のダークマター（DM）相互作用が、トップクォーク、$W$、$Z$ ボソンなどの質量のある標準模型粒子のスピン化にどのように影響を与えるかを調査すること。
• トップクォークおよびゲージボソンのスピン化観測量が、ベクトルまたはスカラーの交換といった異なる種類の DM 相互作用を区別できるかどうかを評価すること。
• SM ゲージキャンセレーションからのわずかなずれに起因する DM による最終状態相互作用が、縦方向の $W$ および $Z$ スピン化に与える感受性を調査すること。
• スピン化測定が、合成性や異常カップリングといった他の新しい物理のシナリオから DM 効果を分離できるかどうかを評価すること。
• $e^+e^-$ プロセスにおけるスピン化観測量が、DM ポータルの力学的性質および量子数を特徴付ける、一意で高感度のプローブを提供することを確立すること。

提案手法

• 高エネルギーでの $e^+e^- \to t\bar{t}$、$ZZ$、$W^+W^-$ プロセスを分析し、最終状態のスピン化を DM 相互作用のプローブとして用いる。
• スカラーまたはベクトルの媒介粒子による t チャネル効果的交換を用いて DM 相互作用をモデル化し、ヘリシティ保存的（HC）またはヘリシティ破壊的（HV）な振幅を明確に分ける。
• DM 効果がヘリシティ振幅に与える影響を表す補正係数 $C(\lambda,\lambda',\tau,\tau')$ を用いる。例として $C = \frac{m_t^2}{m_0^2} \ln\left(-\frac{s}{4m_t^2}\right)$ を提示。
• スピン化観測量を計算：非極化ビームでは $P_t(s,\theta)$、電子の極化ビームでは $P_t^L$、$P_t^R$、$A_{LR}$ を用いる。
• SM の予測と、HC/HV シナリオにおける修正振幅を比較し、明確に異なるスピン化パターンを示す。
• 同様の分析を $W^+W^-$ および $ZZ$ 最終状態に適用し、ゲージキャンセレーションの破壊に極めて感受性を示す縦方向 $W_L$ および $Z_L$ 成分の振幅に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最終状態のダークマター相互作用が、$e^+e^- \to t\bar{t}$ におけるトップクォークのスピン化にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ヘリシティ保存的またはヘリシティ破壊的 DM 相互作用は、トップクォークのスピン化測定によって区別可能か？
• RQ3 DM 相互作用に起因する SM ゲージキャンセレーションからのわずかなずれに対して、縦方向の $W$ および $Z$ ボソンのスピン化はどの程度感受性を示すか？
• RQ4 $W^+W^-$ および $ZZ$ 最終状態におけるスピン化観測量が、異常カップリングや合成性といった他の BSM 効果と区別できるか？
• RQ5 交換される DM 球の量子数（スピン）がスピン化応答をどのように規定するか？

主な発見

• ヘリシティ保存的（HC）の場合、すべての振幅が一様にスケーリングされるため、スピン化 $P_t$ は SM と類似したままであり、比の計算でキャンセルされる。
• ヘリシティ破壊的（HV）の場合、$\tau = \pm 1/2$ 振幅の入れ替えにより、すべての運動量的配置で $P_t$ の符号が反転する。
• 縦方向の $W_L W_L$ および $Z_L Z_L$ 戦い断面積は、DM 相互作用に対して極めて感受性を示す。SM 振幅へのわずかな非一様な寄与でも、高エネルギー領域で断面積が著しく増加する。
• $W^+W^-$ および $ZZ$ プロセスでは、DM 交換によって $LL$ および $TL$ 戦い断面積に顕著な変化が生じるが、$TT$ はほとんど影響を受けない。これは縦方向モードの感受性の高さを示している。
• t チャネルにおけるベクトルまたはスカラーの DM 交換は、それぞれ HC や HV 効果を生成でき、これらは $P_t$、$P_t^L$、$P_t^R$、$A_{LR}$ に明確に異なるスピン化パターンをもたらす。
• $e^+e^-$ 衝突におけるスピン化測定は、DM 相互作用の構造、量子数、および力学的性質を特徴付ける、モデルに依存しない強力なツールを提供する。