[論文レビュー] Recommendations on presenting LHC searches for missing transverse energy signals using simplified $s$-channel models of dark matter

A. Boveia, O. L. Buchmueller+31 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 27

ひとこと要約

本論文は、sチャネルモデルを用いたヒッグス粒子崩壊によるダークマター探索におけるLHCの検出限界を標準化するための推奨事項を提示する。主に、ベクトル、軸性ベクトル、スカラー、および擬スカラー媒介子を対象としている。本研究は、直接検出および間接検出の比較を可能にするために、LHCの遮断限界をダークマターの散乱断面積平面に一貫して変換するフレームワークを確立し、実験および理論間での公平でモデルに依存しないベンチマークが可能になる。

ABSTRACT

This document summarises the proposal of the LHC Dark Matter Working Group on how to present LHC results on $s$-channel simplified dark matter models and to compare them to direct (indirect) detection experiments.

研究の動機と目的

• ATLASおよびCMSの両実験における、簡略化されたsチャネルダークマター・モデルにおける、運動量の欠損を示す信号のLHC探索結果の提示を統一すること。
• 境界を共通のパラメータ空間に変換することにより、LHCの結果と直接検出（DD）および間接検出（ID）実験の間で一貫性があり、公平な比較を可能にすること。
• 明確に定義されたモデル仮定と運動学的式を用いて、LHC遮断限界を $m_{\text{DM}}$–$\langle\sigma v_{\text{rel}}\rangle$ 平面に変換する標準的手順を定義すること。
• すべての比較において、主要なモデルパラメータ、結合定数、信頼水準を明示することで、透明性と再現性を確保すること。
• ダークマター粒子の種別（ディラック型対マヨラナ型）がID限界に与える影響を扱い、特にディラック型DMでは標準的な残存密度断面積を2倍にする必要があること。

提案手法

• ディラックフェルミオンとしてのダークマター粒子 $\chi$ と、スピン0またはスピン1の媒介子（$Z'$, $\phi$）を含む簡略化されたsチャネルモデルを採用し、クォークおよびDMに普遍的に結合する。
• 媒介子の全崩壊幅に対して、モデル固有の式を用い、$M_{\text{med}} < 2m_{\text{DM}}$ または $2m_q$ の場合の相空間抑制を含める。
• 相対論的量子場理論の式を用いて、クォーク-反クォークおよびグルーオン最終状態への $s$ チャネル散乱断面積 $\langle\sigma v_{\text{rel}}\rangle$ を導出する。
• クォーク最終状態に対しては、公式 $\langle\sigma v_{\text{rel}}\rangle_{q} \propto \frac{g_q^2 g_{\text{DM}}^2 m_{\text{DM}}^2}{(M_{\text{med}}^2 - 4m_{\text{DM}}^2)^2 + M_{\text{med}}^2 \Gamma_{\text{med}}^2}$ を適用し、グルーオンチャネルには $\alpha_s$ 依存項を含める。
• 断面積計算の一貫性を確保するため、$\mu = 2m_{\text{DM}}$ で評価された強い結合定数 $\alpha_s$ を用いる。
• 固定された $m_{\text{DM}}$ および $M_{\text{med}}$ に対して、LHC限界の2つの分岐を示す $m_{\text{DM}}$–$\langle\sigma v_{\text{rel}}\rangle$ 平面における遮断等高線を構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 簡略化されたsチャネルダークマター・モデルを用いたLHCの運動量欠損信号探索は、どのようにして実験間で一貫して提示できるか？
• RQ2 LHCの遮断限界を直接検出および間接検出実験の限界と比較するための正しい変換手順は何か？
• RQ3 モデル仮定（例えば、DMの種別（ディラック型対マヨラナ型）や媒介子の結合の普遍性）が、間接検出限界との比較に与える影響は何か？
• RQ4 異なる媒介子種別における散乱断面積式の主要な運動学的および結合依存性は何か？
• RQ5 ディラック型DMの $m_{\text{DM}}$–$\langle\sigma v_{\text{rel}}\rangle$ 平面へのLHC境界の変換において、残存密度制約をどのように適用すべきか？

主な発見

• LHCの遮断等高線は、固定された $m_{\text{DM}}$ に対して2つの $M_{\text{med}}$ 値が存在することに起因し、$m_{\text{DM}}$–$\langle\sigma v_{\text{rel}}\rangle$ 平面で転回挙動を示す。この振る舞いは、ID限界に対しても同様に見られる。
• 擬スカラー媒介子の場合、クォークへの散乱断面積は $\langle\sigma v_{\text{rel}}\rangle_{q} = \frac{3m_q^2}{2\pi v^2} \frac{g_q^2 g_{\text{DM}}^2 m_{\text{DM}}^2}{(M_{\text{med}}^2 - 4m_{\text{DM}}^2)^2 + M_{\text{med}}^2 \Gamma_{\text{med}}^2} \sqrt{1 - \frac{m_q^2}{m_{\text{DM}}^2}}$ で与えられる。
• グルーオン最終状態の断面積は $\langle\sigma v_{\text{rel}}\rangle_{g} = \frac{\alpha_s^2}{2\pi^3 v^2} \frac{g_q^2 g_{\text{DM}}^2}{(M_{\text{med}}^2 - 4m_{\text{DM}}^2)^2 + M_{\text{med}}^2 \Gamma_{\text{med}}^2} \left|\sum_q m_q^2 f_{\text{pseudo-scalar}}(m_q^2/m_{\chi}^2)\right|^2$ であり、$\alpha_s$ は $\mu = 2m_{\text{DM}}$ で評価される。
• 全散乱断面積には、すべての運動学的に許可されたクォークおよびグルーオン最終状態からの寄与に加え、運動学的に可能であればオーバーラップ媒介子生成も含まれる。
• ディラック型DMでは、観測された残存密度と一致させるために、マヨラナ型DMと比較して標準的な残存密度断面積を2倍にする必要がある。
• $m_{\text{DM}}$–$\langle\sigma v_{\text{rel}}\rangle$ 平面に示されたFermi-LAT限界は、$u\bar{u}$ 最終状態と95%信頼水準を仮定しており、他のクォーク-反クォークチャネルと同様の運動学的挙動を示すため、代表的である。