[論文レビュー] Summarizing experimental sensitivities of collider experiments to dark matter models and comparison to other experiments

A. Boveia, C. Doglioni+20 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、簡略化モデルを用いて将来の加速器実験におけるダークマター探索の感度を要約・比較し、直接的・間接的検出実験との補完的関係に焦点を当てる。コライダー探索、特に非可視状態および可視状態が他のプローブと補完的であることが示され、感度は媒介子およびダークマターの質量、結合定数、質量階層に依存する。また、軽いダークセクター・ポータルモデルへのこの結果の拡張も行われる。

ABSTRACT

Comparisons of the coverage of current and proposed dark matter searches can help us to understand the context in which a discovery of particle dark matter would be made. In some scenarios, a discovery could be reinforced by information from multiple, complementary types of experiments; in others, only one experiment would see a signal, giving only a partial, more ambiguous picture; in still others, no experiment would be sensitive and new approaches would be needed. In this whitepaper, we present an update to a similar study performed for the European Strategy Briefing Book performed within the dark matter at the Energy Frontier (EF10) Snowmass Topical Group We take as a starting point a set of projections for future collider facilities and a method of graphical comparisons routinely performed for LHC DM searches using simplified models recommended by the LHC Dark Matter Working Group and also used for the BSM and dark matter chapters of the European Strategy Briefing Book. These comparisons can also serve as launching point for cross-frontier discussions about dark matter complementarity.

研究の動機と目的

• 将来のコライダー実験が、媒介子およびダークマターの質量と結合定数に注目して、さまざまな簡略化モデルにおけるダークマター探索にどの程度感度を持つのかを評価すること。
• コライダー探索の感度を直接的・間接的検出実験と比較し、補完的関係とギャップの有無を強調すること。
• 既存のコライダー感度プロットを、ヒッグスおよびZボソンポータルを含む軽いダークセクター・ポータルモデルに拡張すること。
• 将来の施設（例：FCC-hhおよびミューオンコライダー）を念頭に、異なる実験間の比較と補完的関係を整理するフレームワークを提供すること。
• Snowmass 2021 プロセスからの新しい予測を用いて、以前のヨーロピアン戦略・ブリーフィングブックのプロットを更新・拡張すること。

提案手法

• LHC ダークマター作業部会およびヨーロピアン戦略・ブリーフィングブックの簡略化ダークマター・モデルをベンチマークとして使用する。
• FCC-hhおよびミューオンコライダーを含む将来の施設の入力をもとに、将来のコライダー感度を予測する。
• LHC探索で用いられるグラフィカル比較技術を応用し、モノジェット、ジジェット、ジレプトン最終状態に注目する。
• 既存のLHC簡略化モデルを、ダークフォトン、ダークヒッグス、アキソンポータルを含む軽いダークセクター・ポータルモデルにマッピングして、相互比較を可能にする。
• 既存の非可視および可視探索（例：モノジェット、ヒッグスの非可視崩壊）を、軽いダークセクター・ポータルモデルに再適合する。
• 一貫したパラメータ空間とモデルフレームワークを用いて、コライダー、直接的、間接的検出実験の間で感度を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FCC-hhのような将来のハドロンコライダーは、現在のLHC探索と比較して、どの程度ダークマター・モデルの感度を拡張するか？
• RQ2 異なる媒介子およびダークマター質量において、可視状態（例：ジジェット、ジレプトン）と非可視状態（例：モノジェット）のコライダー探索における相対的感度はどのようになるか？
• RQ3 ベクトルおよびスカラー媒介子モデルにおいて、コライダーの制約は直接的・間接的検出実験の制約とどのように比較されるか？
• RQ4 既存のLHC解析を、ダークフォトンやダークヒッグスポータルのような軽いダークセクター・ポータルモデルを探索するために再適合できる範囲はどの程度か？
• RQ5 ミューオンコライダーは、特に最小限のWIMPモデルにおいて、低質量および高質量のダークマター状況をどの程度探査できるか？

主な発見

• FCC-hhのような将来のハドロンコライダーは、媒介子およびダークマターの質量が高くなる範囲まで感度を拡張するが、その感度は媒介子-標準模型結合定数の強さに強く依存する。
• 大きな結合定数では、特定の可視最終状態（例：ジレプトン共鳴）を標的とした探索が感度を支配するが、小さな結合定数では間接的に制約される。
• 中心エネルギーモード6 TeVまでのミューオンコライダーは、2 TeV未満のダークマター候補を探索するのに最適であり、より高い質量には、より高いエネルギーと光度が必要となる。
• 非可視探索（例：モノジェット）は、小さな媒介子-標準模型結合定数をより効果的に制約し、ダークマター-核子散乱平面においてより強い制限をもたらす。
• 媒介子がダークマター粒子よりも著しく重い場合に、ダークマター探索の感度が最も高くなることが示され、探索設計において質量比の重要性が強調される。
• 既存のLHC解析（例：ヒッグスの非可視崩壊、モノジェット）を再適合することで、軽いダークセクター・ポータルモデルにおけるリリック密度ベンチマーク領域の大部分をカバーできるようになった。