[論文レビュー] Top partners and scalar dark matter -- a non-minimal reappraisal

Alan S. Cornell, Aldo Deandrea+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 33被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、最小モデル（S と T のみ）に加えて Z2 偶性のトップパートナー（T′）を含める非最小的複合ヒッグス枠組みにおいて、トップ寄りのスカラー暗黒物質を再評価する。T′ の導入により、コライダーのフェイズスペースと宇宙論的制約が顕著に変化し、特に T′ 対生成断面積が増加し、最小モデルと比較して暗黒物質の残存密度と直接検出断面積が変化する。

ABSTRACT

A large set of models beyond the Standard Model of particle physics suggest that the top quark plays a special role in fundamental interactions. At the same time some of these models predict that a particle responsible for dark matter is present in the physical spectrum of the theory, and in particular cases dark matter may be specially linked to the top sector. Such a new physics configuration occurs, for instance, in composite frameworks that additionally feature vector-like quarks as mediators of the interactions of the dark matter with the Standard Model. We investigate the interplay of top-philic dark matter and the presence of several vector-like top partners. Such a non-minimal setup with several vector-like fermions is typical of composite scenarios, and we make use of an effective model to study to which extent such non-minimality modifies the collider and cosmological phenomenology of the minimal model, the latter only including one vector-like mediator of the dark matter interactions with the Standard Model.

研究の動機と目的

• Z2 偶性のトップパートナー（T′）をトップ寄りの暗黒物質モデルに組み込むことで、その効果的影響を調査すること。
• S と T のみを含む最小簡略化モデルを、部分的コンポジット性を示す現実的な複合ヒッグス状況に拡張すること。
• T′ の存在がコライダーのフェイズスペースと宇宙論的制約（残存密度および直接検出）に与える影響を評価すること。
• 有効ラグランジアン技術を用いて、トップパートナー探索のためのモデル独立型フレームワークを提供すること。
• 従来無視されてきた Z2 偶性の共鳴状態を含めることで、複合ヒッグスモデルと簡略化暗黒物質モデルのギャップを埋めること。

提案手法

• スカラー暗黒物質（S）、Z2 奇性のベクトル型トップパートナー（T）、および Z2 偶性のトップパートナー（T′）を含む有効ラグランジアンを構築し、これらがすべて標準模型のトップクォークとカップルすること。
• S と T が奇性、T′ が偶性である Z2 対称性を導入し、暗黒物質の安定性を保証すること。
• [13, 14] に従い、ベクトル型クォークの許容されるすべてのカップリングを含むモデル独立的手法を用いること。
• FeynRules および MadGraph を用いた信号シミュレーションと LHC 探索再解釈により、コライダーのフェノメノロジーを実施すること。
• micrOMEGAs を用いて、ループ補正および部分的コンポジット性効果を組み込み、残存密度と直接検出断面積を計算すること。
• S と T のみの最小モデルと比較し、T′ の影響を明確にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Z2 偶性のトップパートナー（T′）の導入が、トップ寄りの暗黒物質モデルのコライダーフェノメノロジーにどのように影響を及ぼすか？
• RQ2 T′ はスカラー暗黒物質の残存密度および直接検出断面積にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 T′ 対生成および崩壊モードは、ベクトル型クォーク探索における LHC の戦略にどのように影響を及けるか？
• RQ4 T′ の存在が最小簡略化モデルの安定性およびフェノメノロジーをどの程度変化させるか？
• RQ5 T′ 共鳴状態は現在のまたは将来の LHC 探索で探査可能か？また、既存の制限の解釈にどのような影響を及えるか？

主な発見

• T′ の導入により、LHC におけるベクトル型クォークの対生成断面積が増加し、専用探索チャネルにおける T′ の探索範囲が拡大する。
• T′ と T を介した散乱過程からの寄与により、暗黒物質の残存密度が顕著に変化する。
• T′ を介したヒッグスポータルおよびヒッグス交換により、スカラー暗黒物質の直接検出断面積が増加し、XENON1T や将来の実験に対する感度が向上する。
• T′ はトップクォークを伴うモノジェットおよび欠落エネルギーの信号を引き起こし、最小モデルを超えた特徴的なコライダー信号を提供する。
• モデル独立型フレームワークにより、既存の LHC 探索の再解釈が可能となり、T′ のカップリングが調整されれば、現在の制限を回避できることが示された。
• T′ を含めた場合、宇宙論的およびコライダー的制約がより厳しくなるため、最小モデルは現象的探索範囲を過小評価していることが示された。