[論文レビュー] Portal Matter and Dark Sector Phenomenology at Colliders

Thomas G. Rizzo|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、標準模型およびダークセクターの量子数を両方持つ仮説的な重い状態（ポータルマター：PM）粒子が、ダークフォトンと hypercharge ボソンの間の運動モーメント混合を可能にすることを調査する。PM 状態は $e^+e^-$ コライダーでは直接検出可能でない可能性が高いが、LHC ではループ誘導過程および木レベルの崩壊を通じて探査可能であり、$h_{\text{SM}} \to ZVh_d$ の分岐比は有利なパrameter領域では1%に達する。

ABSTRACT

If dark matter (DM) interacts with the Standard Model (SM) via the kinetic mixing (KM) portal, it necessitates the existence of massive, likely $\gsim 1$ TeV, enabler portal matter (PM) particles that carry both dark and SM quantum numbers which will appear in vacuum polarization-like loop graphs. Such heavy states are only directly accessible at high energy colliders and apparently lie at mass scales beyond the direct kinematic reach of the ILC, CEPC and FCC-ee. A likely possibility is that these new particles are part of the 'next step' toward a UV-complete scenario describing both the SM and dark sector physics. A simple and straightforward example of such a scenario involving a non-abelian dark sector gauge group is employed in this work to demonstrate some of the range expected from this new physics. Here we present a broad survey of existing analyses designed to explore the nature of such PM states in a array of collider contexts, particularly at the LHC, and point out some of the future directions where additional work is obviously required in the hunt for new signatures as well as in model building directions.

研究の動機と目的

• ポータルマター（PM）粒子がダークマターの運動モーメント混合モデルに与える現象論的影響を調査すること。
• LHC における PM 状態の実現可能なコライダー・シグネチャー、特に直接対生成を超えたものを見つけること。
• SM およびダークセクターの両方の量子数を持つ PM フィールドが、間接的相互作用を媒介し、ダークセクター・モデルの現象論を豊かにする仕組みを調査すること。
• 特に、非アーベル的ダークゲージ群を伴うUV完全なシナリオにおいて、$h_{\text{SM}} \to ZVh_d$ や $h_{\text{SM}} \to Zh_dV$ のようなループ誘導過程を通じた PM の発見可能性を評価すること。
• 現在のコライダー解析におけるギャップを強調し、14 TeV の LHC における PM に起因するシグネチャーのより詳細なシミュレーションを要請すること。

提案手法

• PM フィールドが真空極化グラフを通じて、SM の hypercharge $U(1)_Y$ とダーク $U(1)_D$ ゲージボソンの間の1ループ運動モーメント混合（KM）を生成する役割を分析する。
• ループ積分式 $\epsilon = c_w \frac{g_D g_Y}{24\pi^2} \sum_i \eta_i \frac{Y_i}{2} N_{c_i} Q_{D_i} \ln\frac{m_i^2}{\mu^2}$ を用いて、KM の強さ $\epsilon$ を導出する。ここで $\eta_i = 1$ はフェルミオン、$1/2$ はスカラーに対応する。
• 非アーベル的ダークゲージ群 $SU(2)_D$ とダーク ヒッグス系を備えたUV完全モデルを検討し、質量を持つダークフォトンと重い PM 状態を導く。
• $h_{\text{SM}} \to ZVh_d$ や $h_{\text{SM}} \to Zh_dV$ のような木レベルおよびループ誘導崩壊チャネルを評価し、仮想的 $Z^*$、$A^*$、または $H^*$ 交換を含む振幅を検討する。
• $h_{\text{SM}} \to ZVh_d$ の分岐比を計算し、$m_H \lesssim 1$ GeV の軽い $H$ ボソンでは $B \sim 0.1-1\%$ の値を示すことが判明。これは三重項結合 $\tilde{\lambda}$ と破壊的干渉に依存する。
• ヒッグスボソンの静止系における再構成された $Z$ ボソンエネルギーに特化した運動学的カットを用いることで、モデル信号とSMバックグラウンドを区別する可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SM およびダークセクターの両方の量子数を持つポータルマター（PM）粒子の主要なコライダー・シグネチャーは何か？
• RQ2 PM 状態はどのように1ループレベルでダークフォトンとSM hypercharge ボソンの間の運動モーメント混合を可能にするか？
• RQ3 LHC は $h_{\text{SM}} \to ZVh_d$ のようなループ誘導ヒッグス崩壊を通じて、PM を検出できる範囲はどの程度か？
• RQ4 三重項結合 $\tilde{\lambda}$ や質量差といったモデルパラメータが、PM に起因する過程の分岐比に与える影響は何か？
• RQ5 $e^+e^-$ コライダー（ILC、FCC-ee、CEPC）がPMを探査する際の限界は何か？間接的シグネチャーはどのように補完できるか？

主な発見

• 運動モーメント混合が発生するためには、ポータルマター（PM）フィールドが必須であり、観測された $\epsilon$ の小ささからその存在が示唆される。
• UV完全なモデルでは、$\sum_i \eta_i \frac{Y_i}{2} N_{c_i} Q_{D_i} = 0$ を満たす限り、KM の強さ $\epsilon$ は有限かつ計算可能であり、典型的には $10^{-4} - 10^{-3}$ の範囲をとる。
• PM 状態はおそらく質量が大きく（$\gtrsim 1$ TeV）なため、$\sqrt{s} \sim 240-380$ GeV の ILC や CEPC、FCC-ee では直接検出不可能である。
• LHC は、$h_{\text{SM}} \to ZVh_d$ のような高多重度の最終状態を通じて、PM を直接探査する上で最も有望なコライダーである。有利なパrameter領域では分岐比が最大1%に達する。
• $h_{\text{SM}} \to ZVh_d$ は $\alpha_{\text{em}}/m_Z^2$ やループレベルの $\gamma \to V$ 転移によって二重に抑制されるが、$\tilde{\lambda}$ が大きく、干渉が建設的であれば観測可能である。
• ヒッグスボソンの静止系における $Z$ ボソンエネルギー分布に運動学的カットを適用することで、特に分岐比が $\sim 0.1-1\%$ の場合に、モデル信号とSMバックグラウンドを分離可能である。