[論文レビュー] Universal Properties of Pseudoscalar Mediators

Martin Bauer, M. Klassen+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 38被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、ダークマター理論における整合的でゲージ不変な準スカラー媒介子のモデルに対して、モノ-Z終状態が最も普遍的かつ強いコライダー信号であると特定する。整合性条件を破る without にデカップリングできない自由度のみを保持する有効場理論に注目することで、著者らは、リリック密度、電弱精度、ユニタリティ制約が重なる well-motivated なパラメータ空間をモノ-Zチャンネルが探査可能であることを示し、将来的なLHC探索の重要なターゲットであると結論づける。

ABSTRACT

We discuss universal signals of consistent models of pseudoscalar mediators for collider searches for Dark Matter. Keeping only the degrees of freedom that can not be decoupled due to consistency conditions, we present a universality class of simplified models with pseudoscalar mediators and renormalizable couplings to Standard Model fields. We compute stability and perturbativity constraints, constraints from electroweak precision measurements, collider searches for new heavy particles as well as constraints from relic density measurements and indirect detection experiments searching for signals of Dark Matter annihilation into photons. We find that the mono-$Z$ final state is the strongest, universal signal of this class of models, with additional signatures present in the different ultraviolet completions that can be used to distinguish between them.

研究の動機と目的

• 整合的でゲージ不変なモデルに含まれる準スカラー媒介子の広いクラスにおいて、普遍的なコライダーシグナルを特定すること。
• 整合性条件によって要求される、デカップリングできない自由度のみを保持する最小限の有効場理論（EFT）を定義すること。
• ダークマターのリリック密度が再現され、かつ摂動性、ユニタリティ、電弱精度制約を満たすパラメータ空間を特定すること。
• 現在および将来のコライダー探索の到達範囲、特にモノ-Zが、このwell-motivated な領域をどのように探査できるかを評価すること。

提案手法

• ゲージ不変性とユニタリティによって要求される、デカップリングできない自由度のみを含む、整合的な有効場理論（EFT）を構築する。
• ヒッグス結合測定、電弱精度観測量、リリック密度、間接検出実験からの制約を導出する。
• 初期状態放射によるモノジェット、モノ光子、モノZ、モノヒッグス終状態を含む、媒介子の崩壊幅および生成断面積を計算する。
• UV完備化に追加の重い状態が存在する場合に生じる、モノZおよびモノW終状態における共鳴的増幅に注目し、LHC探索の到達範囲を分析する。
• 摂動性と安定性の境界を用いて、EFTのパラメータ空間を制約する。
• 異なる終状態の感度を比較し、モノ-Zが支配的な普遍的シグナルであることを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 整合的でゲージ不変な準スカラー媒介子モデルの広いクラスにおいて、どのコライダーシグナル終状態が普遍的に利用可能か？
• RQ2 電弱精度測定、リリック密度、ユニタリティ制約からの制約が、準スカラー媒介子モデルの有効パラメータ空間にどのように影響するか？
• RQ3 一部の簡略化モデルではモノジェットやモノ光子よりも感度が低いにもかかわらず、なぜこのクラスのモデルにおいてモノ-Z終状態が最も強力な普遍的シグナルとなるのか？
• RQ4 追加の重い状態を含むUV完備化は、普遍的なモノ-Zシグナルを超えて、コライダーシグナルをどのように強化または変更するか？
• RQ5 将来のLHCモノ-Z探索は、間接観測から制約される全有効パラメータ空間をカバーできるか？

主な発見

• 整合的でゲージ不変な準スカラー媒介子モデルにおいて、モノ-Z終状態が、有効パラメータ空間全体でモノジェットやモノ光子を上回る感度を示し、最も強力で普遍的なコライダーシグナルとして顕在する。
• 電弱精度観測量、スカラー位相の安定性、ユニタリティ制約によって制約されるパラメータ空間は、観測されたダークマターのリリック密度を再現する領域と著しく重複する。
• UV完備化に追加の重い状態が存在することで、モノZおよびモノW終状態に共鳴的増幅が生じる。これらの状態はデカップリングされず、信号強度を増幅する。
• モノジェットおよびt̄t関連生成チャンネルは共鳴的増幅を示さず、このモデルクラスでは到達範囲が限定的である。
• 将来のLHCモノ-Z探索は、間接的制約によって定義されるほぼ全有効パラメータ空間をカバーできると予想される。
• 特定のUV完備化ではモノヒッグス終状態やダークマターと電荷を帯びたパートナの関連生成といった追加のシグナルが生じるが、新しい軽い粒子が導入されない限り、モノ-Zシグナルは普遍的である。