[論文レビュー] TASI 2009 Lectures: Searching for Unexpected Physics at the LHC

Kathryn M. Zurek|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 23被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、LHCにおける新しい物理が、高運動量や高インvariant質量のカットに基づく標準的探索を回避する、ソフトで低pTのシグネチャを示す低質量の隠れたセクター（隠れた谷、キルクス、アンパーシュル）としての予期しない物理を検討している。非アーベルな隠れたセクターに起因し、1 TeV未満の質量ギャップを有し、弱いスケールで抑制された高次元オペレーターを通じて通信するモデルが示され、LHCのシグネチャとダークマターへの影響が提示され、高質量または高pTの最終状態に限らない新しい探索戦略の必要性が強調されている。

ABSTRACT

These TASI lectures consider low mass hidden sectors from Hidden Valleys, Quirks and Unparticles. We show how each corresponds to a different limit of the same class of models: hidden sectors with non-abelian gauge groups with mass gaps well below a TeV that communicate to the Standard Model through weak scale suppressed higher dimension operators. We provide concrete examples of such models and discuss LHC signatures. Lastly we turn to discussing the application of Hidden Valleys to dark matter sectors.

研究の動機と目的

• 高pTまたは高インvariant質量のカットに基づく標準的LHC探索を回避する低質量の隠れたセクター・モデルを同定・特徴づけること。
• 隠れた谷、キルクス、アンパーシュルを、1 TeV未満の質量ギャップを有する非アーベルな隠れたセクターの共通フレームワークとして統一すること。
• 特にソフトで低運動量の最終状態およびずらされた頂点を含む、LHCにおけるこのようなモデルの物性的シグネチャを開発すること。
• 複合ダークマターおよびダークフォトン生成を含め、これらのモデルがダークマターとしての妥当性を有するかを検討すること。
• LHCおよび直接検出実験において、軽量で弱く結合する隠れたセクター状態を検出するための、新たな実験的探索技術の提唱

提案手法

• 動的および結合構造に基づき、隠れた谷、キルクス、アンパーシュルを分類し、これらすべてが1 TeV未満の質量ギャップを有する非アーベルな隠れたセクターの共通クラスに由来することを示す。
• 高次元オペレーターを介した弱いスケールで抑制された通信を、可逆的結合ではなく、標準模型と隠れたセクターの間の通信手段として用いる。
• 有効場理論の技術を用いて、隠れたセクターの低エネルギー力学を記述し、強い相互作用および段階的崩壊を含む。
• LHCシグネチャとしての欠落エネルギー、ソフトジェット、ダークフォトンからのミュオン対、および長寿命の隠れたセクター状態によるずらされた頂点を分析する。
• 特定の極限においてAdS/CFT対応を用いて、紫外領域におけるコンフォーマル行動と隠れたセクターの物性的意味を理解する。
• キルクスの束縛状態からなる複合ダークマターのモデルを構築し、それらの光子への結合とCDMSなどの直接検出実験からの制約を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 隠れた谷、キルクス、アンパーシュルは、1 TeV未満の質量ギャップを有する非アーベルな隠れたセクターのモデルの一つのクラスの異なる極限としてどのようにして出現するか？
• RQ2 高pTまたは高インvariant質量の探索戦略を回避する低質量の隠れたセクターの特徴的なLHCシグネチャは何か？
• RQ3 キルクスの束縛状態からなる複合ダークマターは、光子結合と散乱断面積の制約をどのように回避できるか？
• RQ4 キルクスの構成粒子間の質量差が、非弾性ダークマター散乱を可能にする役割を果たすか、また、矛盾する直接検出結果をどのように調和できるか？
• RQ5 低質量のダークフォトンや他の隠れたセクター状態は、ミュオン対最終状態においてどのようにして効率的に探索可能か？これにより、標準模型の背景を著しく低減できるか？

主な発見

• 隠れた谷、キルクス、アンパーシュルは、1 TeV未満の質量ギャップを有する非アーベルな隠れたセクターと、弱いスケールで抑制された標準模型への結合を特徴とする、同一クラスのモデルの異なる極限として統一される。
• このようなモデルのLHCシグネチャには、ソフトで低pTの最終状態、欠落エネルギー、ずらされた頂点、およびミュオン対における共鳴的生成が含まれ、これらは通常の探索戦略では見逃されがちである。
• キルクスの束縛状態からなる複合ダークマターは、構成粒子間の質量差が約10^3分の1未満であれば、光子結合が抑制されるため、直接検出制約を回避できる。
• 非弾性ダークマター散乱は、複合束縛状態内の質量差を介して実現可能であり、DAMAの陽性信号とCDMSのnull結果を調和する可能性を有する。
• 数GeV未満の質量を持つダークフォトンは、ミュオン対最終状態において効率的に探索可能であり、標準模型の背景を著しく低減し、発見可能性を高めうる。
• 隠れたセクターのパラメータ空間は依然として未解明であり、LHCおよびダークマター実験において、軽量で弱く結合する状態を発見するための新たな探索技術が不可欠である。