[論文レビュー] WIMP Dark Matter at High Energy Muon Colliders $-$A White Paper for Snowmass 2021

Tao Han, Zhen Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、高エネルギーのミューオン衝突型加速器（10–30 TeV）が、フェルミオンおよびスカラー二重項、ディラック三重項、メジャノナ/スカラー三重項といった最小限のWIMP暗黒物質候補の熱的残存質量ターゲットを、包括的欠落質量探索によって完全に探査可能であることを示している。さらに、消えるトラックのシグナルが低次元の多重項の探査範囲を拡張できることを示し、二重項では10 TeV、高次元の多重項では14–30 TeVが必要である。これにより、ミューオン衝突型加速器は電弱スケールの暗黒物質を検証する決定的ツールであることが明らかになった。

ABSTRACT

In a previous publication, we showed that a high energy muon collider can make decisive statements about the electroweak (WIMP) Dark Matter (DM), reaching a DM mass which could give the observed thermal relic abundance. In this document, we report new studies of the spin-$0$ minimal WIMP DM at high energy muon colliders, and update our results on the fermionic spin-$1/2$ case. We find that, by combining multiple inclusive missing mass search channels, it is possible to fully cover the thermal targets of fermionic and scalar doublets, and Dirac triplet, with a 10 TeV muon collider. Higher energies, 14 TeV$-$30 TeV, would be able to cover the thermal targets of Majorana and scalar triplet. For direct discovery of the higher EW multiplets with $n\geq5$, one may need to go beyond a 30 TeV muon collider to fully cover their thermal mass expectation.

研究の動機と目的

• 高エネルギーのミューオン衝突型加速器が、WIMP暗黒物質候補の熱的残存密度をどの程度探査可能かを評価すること。
• さまざまな電弱多重項（二重項、三重項、五重項および七重項）に対して、包括的欠落質量および消えるトラックのシグナルの探査範囲を評価すること。
• さまざまなフェルミオンおよびスカラー多重項における熱的WIMPターゲットを完全にカバーするための必要な中心座標系エネルギーとランクスティリティを特定すること。
• モノ光子、モノミューオン、二重ミューオン、および消えるトラックチャンネルの感度を比較して、WIMP暗黒物質の検出能力を評価すること。
• 5重項以上（n ≥ 5）の高次多重項を30 TeVを超えて探査するためのエネルギー閾値およびランクスティリティ要件を特定すること。

提案手法

• 標準模型のゲージボソンとの関連生成を通じてWIMP生成を検出するため、モノ光子、モノミューオン、二重ミューオンなどの包括的欠落質量探索チャンネルを用いる。
• 最終状態の粒子が検出不能である場合にのみ、信号を不透明とみなすモデルに依存しない信号再構成を適用し、欠落エネルギーおよび運動量に焦点を当てる。
• 長寿命なWIMPに対する消えるトラックシグナルを評価し、寿命および横方向のずれに基づいて検出器応答と信号効率をモデル化する。
• 信号断面積とバックグラウンドの妥当な推定値を、ビーム由来バックグラウンド（BIB）を含めて行い、検出可能性を評価する。
• 複数の探索チャンネルを組み合わせることで、さまざまなWIMP多重項における感度とカバー範囲を向上させる。
• ベンチマーク加速器パラメータ（√s = 3, 6, 10, 14, 30, 100 TeV）および1–1000 ab⁻¹のランクスティリティを用いて、発見の探査範囲を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10 TeVのミューオン衝突型加速器は、フェルミオンおよびスカラー二重項、およびディラック三重項WIMP暗黒物質の熱的残存質量ターゲットを、組み合わせた包括的欠落質量探索によって完全にカバーできるか？
• RQ2 メジャノナおよびスカラー三重項WIMP候補の熱的ターゲットをカバーするためには、どの中心座標系エネルギーが必要か？
• RQ3 モノジェットおよびモノボソンチャンネルを超えて、消えるトラック探索が低次多重項（n ≤ 5）の探査範囲をどの程度拡張できるか？
• RQ4 長寿命ヒッグスイノの信号効率は、加速器エネルギーおよび検出器設計にどのように依存するか、特に3 TeVのような低エネルギー領域でどうなるか？
• RQ5 30 TeVのミューオン衝突型加速器は、5-および7-重項WIMP多重項の熱的質量期待値を完全に探査可能か、それ以上のエネルギーが必要か？

主な発見

• 10 TeVのミューオン衝突型加速器は、フェルミオンおよびスカラー二重項、およびディラック三重項を含む、組み合わせた包括的欠落質量探索によって、熱的残存質量ターゲットを完全にカバーできる。
• 14–30 TeVのミューオン衝突型加速器が必要であり、メジャノナおよびスカラー三重項WIMP候補の熱的ターゲットを完全にカバーできる。
• n ≥ 5の高次多重項、例えば5-および7-重項では、30 TeVのミューオン衝突型加速器でも熱的質量期待値を完全にカバーできない可能性があり、30 TeVを超えるエネルギーが必要となる。
• 消えるトラックシグナルは強く有望であり、運動学的閾値mχ ≈ √s/2に近づく探査範囲を示し、6 TeVの加速器でも二重項の熱的ターゲットをカバー可能である。
• 3 TeVでは、短い寿命と低受容率のため、ヒッグスイノ生成の信号効率は非常に低く（約2.5×10⁻⁴）、1 fb断面積でも信号イベントは1件未満にとどまる。
• ビーム由来バックグラウンド（BIB）の推定値は約20イベントであり、低エネルギー領域では信号を上回る可能性があり、検出器設計の改善またはより高いランクスティリティの必要性を示している。