[論文レビュー] Simplified dark matter top-quark interactions at the LHC

Ulrich Haisch, Emanuele Ré|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 28被引用数 27

ひとこと要約

本稿は、スピン0のsチャネル媒介粒子を通じたダークマター（DM）とトップクォークの相互作用に関するLHCの制約を精緻化・是正し、モノジェットおよび$ ot{E}_T + \bar{t}t$探索チャネルを比較する。8 TeVおよび14 TeVの両エネルギーで、モノジェット探索が$ ot{E}_T + \bar{t}t$探索よりも感受性が高いかつ、EFT解釈が特定の条件下でのみ有効であり、簡略化モデルの結果から、現在の実験では弱い結合理論を排除できないことが示された。

ABSTRACT

Stringent limits on the interactions between dark matter (DM) and the standard model can be set by studying how initial-state or final-state particles recoil against missing transverse energy (MET). In this work, we improve, extend and correct LHC constraints on the interactions between DM and top quarks that are mediated by the exchange of spin-0 s-channel resonances. A comparison of the LHC run-1 sensitivity of the two main search channels is presented, which shows that mono-jet searches are typically more restrictive than the MET + tbar t searches. We furthermore explore the reach of the 14 TeV LHC. The collider constraints are compared to the restrictions arising from direct and indirect detection as well as the DM relic abundance, and we also reflect on effective field theory interpretations of the LHC exclusions.

研究の動機と目的

• スピン0のsチャネル共鳴子を介したトップクォークとの相互作用を伴う簡略化されたダークマター模型における、既存のLHC制約を精緻化・拡張・是正すること。
• Run-1および将来の14 TeV運用におけるLHCにおけるモノジェット（$\not{E}_T + j$）および$ ot{E}_T + \bar{t}t$探索チャネルの感受性を比較すること。
• 有効場理論（EFT）によるLHC除外限界の妥当性を、正確な簡略化モデル結果と比較することで評価すること。
• コライダー制約、直接検出・間接検出、観測されたダークマターの残存密度との相互作用を評価すること。

提案手法

• 著者らは、最小フラバー不変性（MFV）を仮定した簡略化されたダークマター模型を用い、スカラーまたは擬スカラーのsチャネル媒介子がトップクォークと結合する相互作用を記述する。
• POWHEG BOXを用いたモンテカルロシミュレーションにより、$\not{E}_T + j$および$\not{E}_T + \bar{t}t$最終状態のフィデューシャル断面積を、パートンシャワイングおよび検出器効果を含めて生成する。
• 重要な技術として、$p_{T,\rm sup}$という抑制因子を用いた重み付きイベント生成を行い、$p_{T,\bar{\chi}\chi}$が小さい領域を効率的にサンプリングすることで、完全なPSおよび検出器シミュレーションなしに正確な断面積推定が可能となった。
• LOフィデューシャル断面積に対するLOPSの比は、パラメータ空間全域でほぼ一定であることが判明し、固定順序結果を完全なフィデューシャル断面積に10%未満の不確実性でスケーリングできるようになった。
• EFTから導かれた限界と正確な簡略化モデルによる除外限界を比較し、EFT近似が成り立つ領域を特定した。
• 除外領域をマップするため、$g_{\rm DM}^{S,P}$, $g_{\rm SM}^{S,P}$, $m_\chi$, および $M_{S,P}$ の4次元パラメータ空間をスキャンした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHC探索チャネルとして、モノジェット探索と$ ot{E}_T + \bar{t}t$探索のどちらがダークマター-トップクォーク相互作用に対してより強い制約を与えるか？
• RQ2 EFTによるLHC$ ot{E}_T$探索の解釈が、ダークマター-トップクォーク相互作用に対して有効となる条件は何か？
• RQ3 現在のLHC探索は、スカラーおよび擬スカラー両モデルにおける完全に弱い結合理論から生じるパラメータ点をどの程度まで排除できるか？
• RQ4 コライダー制約は、直接検出・間接検出および観測されたダークマターの残存密度の制約と比べてどのように異なるか？
• RQ5 平坦な受容率比を活用することで、完全な検出器シミュレーションなしにフィデューシャル断面積を正確に推定できるか？

主な発見

• LHCにおけるモノジェット探索は、8 TeVおよび将来の14 TeV運用において、すべてのシナリオで$ ot{E}_T + \bar{t}t$探索よりも、ダークマター-トップクォーク相互作用に対してより厳しい制約を与える。
• モノジェット信号のLOPSとLOフィデューシャル断面積の比は、パラメータ空間全域でほぼ一定であり、8 TeVでは0.55～0.62、14 TeVでは0.40～0.46の範囲に収まる。これにより、固定順序結果を完全なフィデューシャル断面積に10%未満の不確実性でスケーリング可能となった。
• EFTによるLHC制約の解釈は、パラメータ空間の限定された領域でのみ有効である。一般には、正確な簡略化モデル計算が必要となる。
• 現在のATLASおよびCMSの探索では、スカラーおよび擬スカラー両モデルにおいて、完全に弱い結合理論から生じるパラメータ点を排除できない。
• $\not{E}_T + j$チャンネルは、すべての検討されたシナリオにおいて、$\not{E}_T + \bar{t}t$チャンネルよりも広いパラメータ空間領域を除外する。
• コライダー制約、直接検出、間接検出、および残存密度制約の相互作用を検討した結果、どの1つのチャネルでもパラメータ空間を閉じることはできず、統合的な制約が必要であることが示された。