[論文レビュー] Recommendations of the LHC Dark Matter Working Group: Comparing LHC searches for heavy mediators of dark matter production in visible and invisible decay channels

A. Albert, Mihailo Backović+28 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 38被引用数 53

ひとこと要約

論文はスピン-1ダークマターの簡易モデルにループ leptons への結合を追加し、可視メディエータ検索と不可視検索を比較するベンチマークを提案し、干渉効果の評価を含む解析および数値的な熱両立密度計算を提示する。

ABSTRACT

Weakly-coupled TeV-scale particles may mediate the interactions between normal matter and dark matter. If so, the LHC would produce dark matter through these mediators, leading to the familiar "mono-X" search signatures, but the mediators would also produce signals without missing momentum via the same vertices involved in their production. This document from the LHC Dark Matter Working Group suggests how to compare searches for these two types of signals in case of vector and axial-vector mediators, based on a workshop that took place on September 19/20, 2016 and subsequent discussions. These suggestions include how to extend the spin-1 mediated simplified models already in widespread use to include lepton couplings. This document also provides analytic calculations of the relic density in the simplified models and reports an issue that arose when ATLAS and CMS first began to use preliminary numerical calculations of the dark matter relic density in these models.

研究の動機と目的

• LHC におけるスピン-1 モデルで MET ベースの媒介体検索と完全に可視な媒介体崩壊の比較を促進する。
• ベクトルおよび軸ベクトル媒介体へレプトン結合を組み込み、二レプトン共鳴の制約を可能にする。
• 幅の公式とモデル実装を提示し、コライダーおよび熱寛密度研究を支持する。
• 四つのベンチマーク結合シナリオを提供し、二-ジェット、二-レプトン、モノ-X チャンネル間の探索の補完性を示す。
• t-チャネル媒介体生成が結果に与える影響と熱寛密度計算の議論。

提案手法

• レプトン結合を持つベクトルおよび軸ベクトル媒介体を用いたスピン-1 簡易モデルを拡張する。
• 最終状態 χχ, qq,ℓℓ,νν に対する部分崩壊幅を導出する（Eqs. 2.4–2.7, 2.8–2.11）。
• 指定された g_DM, g_q, g_ℓ 値を持つ V1, V2, A1, A2 の四つのベンチマーク結合シナリオを提示する。
• レプトン対戦検索における干渉効果を評価し、その影響を定量化する（無視できる程度で ~5% まで）。
• 解析的には熱寛密度を計算（Eqs. 3.1–3.4, 3.5–3.8）、数値的には MadDM 2.0.6 と MicrOMEGAs を用い、結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レプトン結合を持つスピン-1 s-チャネルモデルにおける可視的検索（di-lepton/di-jet）と不可視検索（mono-X）の比較はどうなるか。
• RQ2 媒介体崩壊幅と検索感度に対するレプトン結合の含有の影響は何か。
• RQ3 これらのモデルの di-レフトンチャネルでの信号と Drell–Yan 背景の干渉効果は有意か。
• RQ4 代数的および数値的な熱寛密度計算はスカラーおよびスピン-1 媒介体でどのように比較され、どのチャネルが支配的か。
• RQ5 ベンチマーク結合シナリオは MET と可視崩壊検索の補完性を適切に示しているか。

主な発見

• レプトン結合の組み込みにより二レプトン共鳴が可能となり、コライダーの制約が広がる。
• 二レプトン検索における干渉効果は小さく（≤5%）、制限において無視できる。
• 四つのベンチマークシナリオ（V1, V2, A1, A2）はモノ-X、 di-ジェット、 di-レプトンチャンネル間の補完的感度を示す。
• 熱寛密度計算は、単一の消滅チャネルが支配的な場合に解析表現と MadDM/MicrOMEGAs の結果が良い一致を示す。
• t-チャネルの媒介対対消滅は、特に軸ベクトルモデルで正確な熱寛密度予測のために重要である。
• より広い媒介体シナリオや非共鳴検索は、標準の二-ジェット/二-レプトン共鳴検索の範囲を超えた専用研究を要する可能性がある。