[論文レビュー] The leptophilic dark matter with $Z'$ interaction: from indirect searches to future $e^+ e^-$ collider searches

Ning Chen, Jian Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、$Z^{\backprime}$ ボソンがダークマター（DM）と電磁レプトンの間の相互作用を媒介するレプトフィリックなダークマター模型を提案する。この模型は、430 GeVのDM候補と約100のブースト要因を用いてAMS-02の陽電子過剰を適合させる。また、将来の$e^+e^-$衝突型加速器、特に1.5 TeVのCLICで、$Z^{\backprime}$が$\bar{\chi}\chi$への非可視崩壊（$Z^{\backprime} \to \bar{\chi}\chi$）および単光子過程によって検出可能であることを示し、必要な統計的輝度は$\mathcal{O}(1)$ pb$^{-1}$程度で十分である。

ABSTRACT

We investigate the scenario where the dark matter only interacts with the charged leptons in the standard model via a neutral vector mediator $Z'$. Such a scenario with a 430 GeV dark matter can fit the recent positron fluxes observed by the AMS-02 Collaborations, with the reasonable boost factors. We study the possibility of searching such leptophilic $Z'$ via its lepton final states and invisible decay modes at the future electron-positron colliders, such as the International Linear Collider (ILC) and the Compact Linear Collider (CLIC). We find that for the benchmark models with $Z'$ mass from 1.0 TeV to 1.5 TeV, the searches for the invisible decays of $Z' o \bar χχ$ is easily achieved at the CLIC 1.5 TeV runs via the mono-photon process. However, lighter $Z'$ with mass from 0.5 TeV to 0.8 TeV are challenging to see. The di-lepton plus single photon channel can reveal the $Z'$ mass at the ILC and CLIC with moderate luminosities.

研究の動機と目的

• AMS-02が観測した異常な高エネルギー陽電子フラックスを、$Z^\prime$媒介子を介して電磁レプトンのみと相互作用するダークマター候補を用いて説明すること。
• ミュオンの異常磁気モーメントおよびLEP-II探索の制約下で、このようなレプトフィリック$Z^\prime$模型の妥当性を検証すること。
• 将来の$e^+e^-$衝突型加速器（例：ILCおよびCLIC）における$Z^\prime$ボソンおよびそのダークマターへの非可視崩壊の発見可能性を評価すること。
• 特に、$Z^\prime$を高エネルギー$e^+e^-$衝突型加速器で検出可能な最適なコリダリアンシグネチャ（具体的にはOSSF二レプトン＋光子および単光子最終状態）を同定すること。

提案手法

• $Z^\prime$ベクトルボソンを介して、すべての3世代の電磁レプトンとダークマターの間で$s$チャンネルの相互作用を媒介する簡略化されたレプトフィリックなダークマター模型を構築する。
• 単光子および二レプトン＋光子最終状態における標準模型（SM）のバックグラウンドを抑制するため、運動量のカット（$p_T$および$\eta$カット）、$E_T$バイト、および反動質量再構成を適用する。
• 反動質量$m_{\rm rec}$を用いた$Z^\prime$質量再構成カットを導入し、$|m_{\rm rec} - M_{Z^{\prime}}| \leq 50$ GeVの範囲内で$Z^\prime$共鳴状態を特定する。
• CLICおよびILCにおける$e^+e^- \to \gamma + E_T$および$e^+e^- \to \ell^+\ell^- + \gamma$過程の信号断面積とSMバックグラウンド寄与を計算する。
• すべてのカットを適用した後、信号の有意性とバックグラウンドを比較して、$5\sigma$発見に必要な統合輝度を推定する。
• 各$Z^\prime$質量ベンチマークにおける期待される光子エネルギー窓を定義するために、$E_\gamma = (s - M_{Z^{\prime}}^2)/(2\sqrt{s})$の関係を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 430 GeVのダークマター候補と$Z^\prime$媒介子を介した電磁レプトンへの結合のみを有するレプトフィリック$Z^\prime$模型は、反陽子の過剰生成を引き起こさずにAMS-02の陽電子過剰を説明できるか？
• RQ2 特に非可視崩壊および単光子シグネチャを通じて、$e^+e^-$衝突型加速器環境下での$Z^\prime$ボソンの発見可能性はいかがなものか？
• RQ3 $Z^\prime$質量に依存する信号率とバックグラウンド抑制の性質は、特に0.5–1.5 TeVの範囲でどのように変化するか？
• RQ4 CLICにおける単光子最終状態で、反動質量技術を用いて$Z^\prime$質量を再構成できるか？
• RQ5 ILCおよびCLICで、OSSF二レプトン＋光子および単光子チャンネルにおける$Z^\prime$の$5\sigma$発見を達成するために、どの程度の輝度要件が必要か？

主な発見

• 電磁レプトンへの結合のみを有する430 GeVのダークマター候補と$Z^\prime$媒介子を用いた模型は、$\mathcal{O}(100)$のブースト要因を用いてAMS-02の陽電子フラックスデータを適合させることができ、間接的検出の制約と整合的である。
• 1.0–1.5 TeVの$M_{Z^\prime}$範囲では、CLIC 1.5 TeVで単光子過程を用いて$\sim\mathcal{O}(1)$ pb$^{-1}$の統合輝度で、$Z^\prime \to \bar{\chi}\chi$の非可視崩壊が$5\sigma$の有意性で検出可能である。
• OSSF二レプトン＋単一光子最終状態は、ILCおよびCLCの両方で、$\mathcal{O}(1)$ pb$^{-1}$から$\mathcal{O}(10)$ fb$^{-1}$のやや中程度の輝度で$Z^\prime$の発見が可能である。
• 0.5–0.8 TeVの範囲の軽い$Z^\prime$ボソンでは、単光子信号断面積が小さく、現在の輝度予想では発見が困難である。
• $E_T$バイト、光子の$p_T$および$\eta$要件、および反動質量再構成を含む運動量カットは、標準模型のバックグラウンドを顕著に低減し、信号の有意性を向上させる。
• 反動質量$m_{\rm rec}$は、$Z^\prime$質量再構成に有効であり、$\pm 50$ GeVの窓を用いることで、CLICで$M_{Z^\prime} \in (1.0, 1.5)$ TeVの範囲で$5\sigma$の有意性を達成できる。