[論文レビュー] Production and constraints for a massive dark photon at electron-positron colliders

Jiang, Jun, Li, Chun-Yuan+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、将来の電子・陽電子衝突型加速器における質量の大きなダークフォトン（A′）の生成と検出を調査し、過程 e⁺e⁻ → q̄qA′ および A′ の見えない崩壊に注目している。2つのジェット最終状態の運動量分布を用いて、CEPCが √s = 91.2 GeV で運転する場合、20 GeV < mA′ < 60 GeV の A′ を1年未塔で3σの有意水準で発見可能であり、積分放射度がたった 0.473 ab⁻¹ で達成可能であることを示している。

ABSTRACT

Dark sector may couple to the Standard Model via one or more mediator particles. We discuss two types of mediators: the dark photon $A^{\prime}$ and the dark scalar mediator $\phi$. The total cross-sections and various differential distributions of the processes $e^{+} e^{-} ightarrow q \bar{q} A^{\prime}$ and $e^{+} e^{-} ightarrow q \bar{q} \phi$ ($q=u,~d,~c,~s$ and $b$ quarks) are discussed. We focus on the study of the invisible $A^{\prime}$ due to the cleaner background at future $e^{+} e^{-}$ colliders. It is found that the kinematic distributions of the two-jet system could be used to identify (or exclude) the dark photon and the dark scalar mediator, as well as to distinguish between them. We further study the possibility of a search for dark photons at a future CEPC experiment with $\sqrt{s}=$ 91.2 GeV and 240 GeV. With CEPC running at $\sqrt{s}=$ 91.2 GeV, it would be possible to perform a decisive measurement of the dark photon (20 GeV $< m_{A^{\prime}} <$ 60 GeV) in less than one operating year. The lower limits of the integrated luminosity for the significance $S/\sqrt{B}=$ 2$\sigma$, 3$\sigma$ and 5$\sigma$ are presented.

研究の動機と目的

• 将来の加速器における質量の大きなダークフォトン（A′）およびダークスカラーメディエーター（φ）のe⁺e⁻衝突による生成を調査すること。
• 2つのジェット最終状態（q̄q）の運動量分布を分析し、A′とφの信号を区別すること。
• CEPC実験における、√s = 91.2 GeVおよび240 GeVでの見えないダークフォトンの発見可能性を評価すること。
• A′を2σ、3σ、5σの有意水準で検出するために必要な最小積分放射度を特定すること。
• 特にZ⁰/γ交換に起因する背景過程が信号感度に与える影響を評価すること。

提案手法

• 標準模型（SM）フォトンとの運動量混合を介したダークフォトンのモデル化。相互作用ラグランジアンには、ε（運動量混合パラメータ）、クォーク電荷 cq、ダークマター結合定数 gχ が含まれる。
• SMクォークとのヒッグスポータル結合を介したダークスカラーメディエーターφのモデル化。相互作用項は −εs q̄qφ であり、簡略化された結合定数 εs = ε と仮定する。
• 微小な電磁力学および量子色力学（QED/QCD）を用い、√s = 91.2, 240, 500, および 1000 GeV における e⁺e⁻ → q̄qA′ および e⁺e⁻ → q̄qφ の全断面積および微分断面積を計算する。
• 実際の実験条件を再現するために、運動量カットおよび検出器のスメアリングを適用し、2つのジェット系のインバリアント質量分布（MRA′）に注目する。
• e⁺e⁻ → q̄qZ⁰/γ などの背景過程をシミュレートし、ν̄ν最終状態を含む新しいフェルミオン的位相空間を含めて、背景寄与を推定する。
• 積分放射度の関数として信号の有意水準 S/√B を計算し、異なる mA′ 値における発見可能領域を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 e⁺e⁻ → q̄qA′ および e⁺e⁻ → q̄qφ の2つのジェット最終状態の運動量分布は、ダークフォトンとダークスカラーメディエーターを区別するために有効か？
• RQ2 CEPCにおいて、mA′ = 20–60 GeV のダークフォトンを3σの有意水準で発見するために必要な最小積分放射度はどの程度か？
• RQ3 √s = 91.2 GeV および √s = 240 GeV における信号の有意水準 S/√B は、積分放射度にどのように依存するか？
• RQ4 より高い放射度にもかかわらず、√s = 240 GeV における信号の有意水準が √s = 91.2 GeV よりも低いのはなぜか？背景の増加がその要因であるか？
• RQ5 CEPCが √s = 91.2 GeV で運転する場合、1年未塔の運用でダークフォトンを決定的な測定が可能か？

主な発見

• √s = 91.2 GeV において、CEPC実験は年間放射度 4 ab⁻¹ を想定した場合、mA′ = 20–50 GeV のA′を1年未塔で3σの有意水準で発見可能である。
• 3σ発見に必要な最小積分放射度は、mA′ = 40 GeV 時に 0.473 ab⁻¹ から、mA′ = 60 GeV 時に 6.67 ab⁻¹ まで変動する。L = 2 ab⁻¹ 時に、mA′ = 20, 30, 40, 50 GeV それぞれで S/√B が 3.82, 6.05, 6.17, 4.29 となる。
• √s = 240 GeV では、断面積の低下とZ⁰/γ交換図に起因する背景寄与の増加により、信号の有意水準が著しく低下し、20 ab⁻¹ でも S/√B < 0.07 にとどまる。
• √s = 240 GeV における背景寄与は、√s = 91.2 GeV よりも顕著に高い。これは、信号過程に存在しない ν̄ν ピアを含む新しいフェルミオン的位相空間図に起因する。
• CEPCが √s = 240 GeV で運転する場合、1年未塔で mA′ = 20–60 GeV のA′を発見することは不可能である。これは、1つの衝突点で必要な放射度が 0.5 ab⁻¹ を超えるためである。
• 2つのジェット系（MRA′）の運動量分布は、A′とφの信号を区別するのに有効であり、両者の同定または除外が可能である。