[論文レビュー] Sensitivity of future collider facilities to WIMP pair production via effective operators and light mediators

N. Zhou, D. Berge+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 14

ひとこと要約

本稿は、有効場理論のオペレーターおよび重い $Z^\prime$ メディエーターを通じた弱い力で相互作用する大質量粒子（WIMP）対生成の感度について、将来のハドロン衝突機—LHC14、33 TeV、100 TeV pp衝突機—を評価する。LHCデータからの信号およびバックグラウンドの外挿推定を用いて、高エネルギー・高インテグレーテッドラミニosity施設が、特にオンシェル・メディエーターおよび高-$\not\!E_\mathrm{T}$ 結果の下で、WIMP結合および質量パラメータの探索範囲を著しく向上させることを示している。

ABSTRACT

We present extrapolations of the current mono-jet searches at the LHC to potential future hadron collider facilities: LHC14, as well as $pp$ colliders with $\sqrt{s}=33$ or 100 TeV. We consider both the effective operator approach as well as one example of a light mediating particle.

研究の動機と目的

• 次世代ハドロン衝突機における、欠落エネルギー＋ジェット最終状態を通じたWIMP対生成の予想される感度を評価すること。
• 有効場理論（EFT）モデルと、重い $Z^\prime$ のような明示的なオンシェル・メディエーターの感度を比較すること。
• 中心系エネルギーおよびインテグレーテッドラミニosityが高くなるにつれて、WIMP結合および質量の探査可能性がどの程度向上するかを定量化すること。
• LHCデータおよびシミュレートされた信号／バックグラウンド効率に基づいて、WIMP対生成断面積およびメディエーター結合に関する外挿限界を提供すること。
• 将来の実験戦略を支援するために、ダークマター探索における最適な $\not\!E_\mathrm{T}$ カット値および施設設定を特定すること。

提案手法

• LHCのモノジェット探索（$\sqrt{s} = 7$ TeV）からの信号およびバックグラウンド収率を、パートンレベルのシミュレーションを用いて、より高いエネルギー施設へ外挿する。
• 信号イベント（$pp \to \chi\bar{\chi} + j$）および主要な $Z \to \nu\bar{\nu} + j$ バックグラウンドを、MadGraph5 および Pythia を用いて生成し、MLMマッチングを適用する。
• ラミニosity、中心系エネルギー、$\not\!E_\mathrm{T}$ カット値のスケーリング係数を適用して、新しい施設における信号効率およびバックグラウンド収率を推定する。
• 感度を $N_{\text{sig}} = \mathcal{L} \cdot \epsilon_0 \cdot \frac{\epsilon_{\not\!E_\mathrm{T}>X}}{\epsilon_{\not\!E_\mathrm{T}>350}} \cdot \sigma(\sqrt{s})$ およびバックグラウンドスケーリング $N_{\text{bg}} = E_b \cdot N_{\text{bg}}^{\sqrt{s}=7}$ を用いて計算する。
• 1/M_* = g_{Z^\prime}/M_{Z^\prime}$ を用いて、以前のLHCデータからのEFT限界と、$g_{Z^\prime}$ および $\sigma(pp \to Z^\prime \to \chi\bar{\chi})$ の期待限界を比較する。
• $\sqrt{s} = 14$, 33, および 100 TeV において、$\mathcal{L} = 300$ から 3000 fb$^{-1}$ の範囲で性能を評価し、バックグラウンドを抑制するために高-$\not\!E_\mathrm{T}$ カットに焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中心系エネルギーおよびラミニosityが増加するにつれて、将来のハドロン衝突機のWIMP対生成への感度はどのようにスケーリングするか？
• RQ2 有効場理論モデルと、明示的なオンシェル・メディエーター（例：$Z^\prime$）モデルの感度を比較すると、WIMP相互作用の探査範囲はどの程度異なるか？
• RQ3 将来の衝突施設における発見可能性を最大化するために、最適な $\not\!E_\mathrm{T}$ カット値は何か？
• RQ4 $Z^\prime$-媒介生成の文脈において、将来の衝突機が既存のLHC限界をどの程度改善できるか？
• RQ5 予想される感度は、Fermi-LATおよびCTAによる間接的ダークマター制約とどのように比較されるか？

主な発見

• $\sqrt{s} = 100$ TeV および $\mathcal{L} = 3000$ fb$^{-1}$ 時に、$\sqrt{s} = 14$ TeV および $\mathcal{L} = 300$ fb$^{-1}$ 時に比べ、$Z^\prime$ 結合への感度が最大で10倍まで向上する。特に $m_\chi = 100$ GeV の場合に顕著である。
• $\sqrt{s} = 100$ TeV および $\mathcal{L} = 3000$ fb$^{-1}$ 時に、$\not\!E_\mathrm{T} > 5500$ GeV のカットにより、$g_{Z^\prime} \sim 10^{-2}$ の場合に $\sim 10$ TeV の $Z^\prime$ 質量まで発見可能である。
• 100 TeV 施設に 3000 fb$^{-1}$ のデータを用いることで、$m_\chi = 100$ GeV の場合に、以前のLHC限界を10倍以上上回る $g_{Z^\prime}$ の予想限界が得られる。
• 高エネルギーでの $D_5$ および $D_8$ 有効オペレーターへの感度は著しく向上し、$\sqrt{s} = 100$ TeV 時に $m_\chi = 1$ TeV でWIMP対消失断面積の予想限界が $\sim 10^{-3}$ pb に達する。
• $Z^\prime$-媒介生成の文脈では、$\sqrt{s} = 33$ TeV および $\mathcal{L} = 3000$ fb$^{-1}$ の施設で、$g_{Z^\prime} \sim 0.1$ の場合に $\sim 5$ TeV の $Z^\prime$ 質量まで探査可能である。
• 本研究は、信号対バックグラウンド比を維持するために、$\not\!E_\mathrm{T}$ カット値がエネルギーに比例してスケーリングする必要があることを示しており、最適なカット値は $\sqrt{s} = 33$ TeV 時に $\sim 2750$ GeV、$\sqrt{s} = 100$ TeV 時に $\sim 5500$ GeV である。