[論文レビュー] Search for dark matter at the LHC using missing transverse energy

Sarah Malik|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2012

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

ひとこと要約

本論文は、CMS検出器を用いて7 TeVの陽子-陽子衝突データ5 fb⁻¹を分析し、モノジェットおよびモノフォトン最終状態に伴う運動量の欠損を伴うダークマターの探索を報告する。観測された過剰事象が見つからなかったことから、スピン非依存相互作用において3.5 GeV未満の領域をカバーする、これまでで最も厳しい90%信頼水準のダークマター-核子散乱断面積の上限を設定した。また、スピン依存相互作用においては、1–200 GeVのダークマス範囲で既存の制約を上回る結果を得た。

ABSTRACT

Results are presented for a search for dark matter at the LHC using the signatures of a monojet plus missing transverse energy and a monophoton plus missing transverse energy. The data were collected by the CMS detector at the LHC with pp collisions at a centre-of-mass energy of 7 TeV and an integrated luminosity of 5 inverse femtobarns. In the absence of an excess of events in the data compared to the Standard Model prediction, limits are set on the dark matter-nucleon scattering cross section which can be directly compared with bounds from the direct detection experiments.

研究の動機と目的

• LHCにおける陽子-陽子衝突において、運動量の欠損を伴うモノジェットおよびモノフォトンの署名を用いてダークマター生成を探索すること。
• 有効場理論フレームワークを用いて、モデルに依存しない形でダークマター-核子散乱断面積の上限を設定すること。
• 特にスピン非依存相互作用において3.5 GeV未満の低質量領域における弱く相互作用する大質量粒子（WIMPs）の制約を強化すること。
• 直接検出実験と直接比較し、ダークマターの除外可能なパラメータ空間を拡張すること。
• Z→μμ+jetsおよびW→μν+jets事象からの制御サンプルを用いて、バックグラウンド推定手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• CMS検出器を用いて、√s = 7 TeVのpp衝突データ5 fb⁻¹を収集する。
• 高い運動量の欠損（モノジェットではE_T^miss > 350 GeV、モノフォトンではE_T^miss > 130 GeV）に加え、高p_Tのジェットまたはフォトンを要件とするイベント選別を実施する。
• QCDおよび機器由来バックグラウンドを抑制するため、ジェットおよびフォトンの識別、分離、時間測定に厳しい要件を適用する。
• 主要な標準模型バックグラウンド（Z→νν+jetsおよびW→ℓν+jets）は、Z→μμ+jetsおよびW→μν+jets事象からの制御サンプルを用いて推定する。
• 検出器効率、受容率、分支比の補正を施し、制御サンプルのyieldを信号領域に外挿する。
• 観測された断面積上限を有効接触相互作用スケールΛの上限に変換し、その後、ダークマター-核子散乱断面積に変換する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノジェットおよびモノフォトンの署名を用いた場合、スピン非依存およびスピン依存相互作用におけるダークマター-核子散乱断面積の上限は何か？
• RQ2 CMSの結果は、低質量ダークマター領域における以前の直接検出実験およびコライダー探索とどのように比較できるか？
• RQ3 モノジェットおよびモノフォトン最終状態において、観測されたイベント数は標準模型バックグラウンドの予測をどの程度上回っているか？
• RQ4 モノジェットおよびモノフォトン探索は、3.5 GeV未満のダークマスに対してどの程度の感度を持つのか？
• RQ5 特に制御サンプルおよび分離基準の使用によって、バックグラウンド抑制手法はどの程度効果的か？

主な発見

• スピン非依存相互作用において、3.5 GeV未満の領域は、これまでの探索では到達できなかった領域であり、90%信頼水準の上限が新たに設定された。
• スピン依存相互作用においては、1–200 GeVのダークマス範囲で、すべての既存の制約を上回るCMSの上限が得られた。
• 有効接触相互作用スケールΛの観測上限は、保守的な形でダークマター-核子散乱断面積の上限に変換された。
• 制御サンプルを用いたバックグラウンド推定は妥当性を確認され、Z→νν+jetsバックグラウンドは900 ± 94イベント、W+jetsは312 ± 35イベントと推定された。
• モノフォトン解析では、観測された73イベントは、予測された75.1 ± 9.5のバックグラウンドyieldと整合的であった。
• モノジェットおよびモノフォトン最終状態において、有意な過剰事象は観測されず、標準模型バックグラウンド予測と整合的であった。