[論文レビュー] Wino-like Minimal Dark Matter and future colliders

Marco Cirelli, Filippo Sala+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 131被引用数 67

ひとこと要約

本稿では、電弱フェルミオン三重項（ウィノに類似）が、偶然的なB-L対称性によって安定化される弱い力で相互作用する巨大粒子（WIMP）である暗黒物質候補として、標準模型の最小限の拡張を提案する。将来の100 TeVプロトン衝突型加速器が消える軌道（disappearing tracks）を用いて、暗黒物質質量を最大3 TeVまで探査可能であることが示され、モノジェット、モノフォトン、ベクトルボソン融合（VBF）チャンネルでは、楽観的な系統的不確実性のもとで1.3–1.7 TeVまで到達可能である。

ABSTRACT

We extend the Standard Model with an EW fermion triplet, stable thanks to one of the accidental symmetries already present in the theory. On top of being a potential Dark Matter candidate, additional motivations for this new state are the stability of the vacuum, the fact it does not introduce a large fine-tuning in the Higgs mass, and that it helps with gauge coupling unification. We perform an analysis of the reach for such a particle at the high-luminosity LHC, and at a futuristic 100 TeV pp collider. We do so for the monojet, monophoton, vector boson fusion and disappearing tracks channels. At 100 TeV, disappearing tracks will likely probe the mass region of 3 TeV, relevant for thermally produced Dark Matter. The reach of the other channels is found to extend up to ~ 1.3 (1.7) TeV for 3 (30) ab^-1 of integrated luminosity, provided systematics are well under control. This model also constitutes a benchmark of a typical WIMP Dark Matter candidate, and its phenomenology reproduces that of various models of Supersymmetry featuring a pure Wino as the lightest sparticle.

研究の動機と目的

• 標準模型の安定な電弱フェルミオン三重項をWIMP暗黒物質候補として最小限の拡張を提案すること。
• このモデルが真空安定性、ヒッグス質量の自然性、ゲージ結合定数の統一性を満たす可能性を調査すること。
• 特に100 TeV pp衝突型加速器を想定し、この暗黒物質候補の発見可能性を評価すること。
• 純粋なウィノに類似した超対称的シナリオの主要な特徴を再現する、WIMP暗黒物質の臨界モデルを提供すること。
• 直接検出（例：LZ）および間接検出（ガンマ線、反陽子）の制約と比較し、最も感受性の高い探索チャンネルを特定すること。

提案手法

• SU(2)Lで二重項、色および hypercharge で単粒子として変換するフェルミオン三重項を導入し、2ループレベルで約165 MeVの質量分裂を実現する。
• 次元5の演算子が崩壊を誘導するのを防ぐために、偶然的なB-L対称性またはその離散的部分群によって安定性を保証する。
• 結合定数gを介したゲージ相互作用により、三重項と標準模型のゲージボソンを結合する有効ラグランジアンを構築する。
• モノジェット、モノフォトン、ベクトルボソン融合（VBF）、消える軌道の4つの探索チャンネルについて、モンテカルロシミュレーションとイベントレベル解析を実施する。
• 1%および5%の系統的不確実性を仮定し、HL-LHC（14 TeV、3 ab⁻¹）および将来の100 TeV pp衝突型加速器（3および30 ab⁻¹）における発見可能性を推定する。
• 直接検出（例：LZ）および間接検出（ガンマ線、反陽子）の制約と比較し、高質量領域ではソモフィールド増幅効果を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ウィノに類似したフェルミオン三重項は、標準模型の最小限の拡張内において、実現可能で安定なWIMP暗黒物質候補として成立するか？
• RQ2 将来の100 TeV加速器は、3 TeVの熱的生成物質のリリック豊度領域をどの程度まで探査可能か？
• RQ3 消える軌道、モノジェット、モノフォトン、VBFのうち、どの衝突型探索チャンネルがこのモデルに対して最も感受性が高いか？
• RQ4 系統的不確実性（1% 対 5%）が、モノジェットおよび他のチャンネルにおける予想される発見可能性に与える影響は何か？
• RQ5 衝突型加速器の制約は、既存の直接および間接検出実験の制約と比較してどうなるか？

主な発見

• 1%の系統的不確実性を仮定した場合、30 ab⁻¹の統合した光度を持つ100 TeV加速器では、モノジェットチャンネルで約1.7 TeVまでの暗黒物質質量を探査可能である。
• 消える軌道が最も感受性が高く、楽観的な系統的不確実性のもとで、3 TeVまでの暗黒物質質量を探査可能であり、これは熱的に生成された暗黒物質に相当する。
• 5%の系統的不確実性を仮定した場合、モノジェットの探査範囲は著しく低下し、約500 GeVまでにまで縮小され、バックグラウンド制御の重要性が浮き彫りになる。
• モノフォトンおよびVBFチャンネルはモノジェットよりわずかに低い探査範囲を示し、1%の不確実性のもとで3 ab⁻¹では約1.3 TeV、30 ab⁻¹では約1.7 TeVまで到達可能である。
• このモデルは、最軽い超対称粒子（LSP）がウィノ系に属する純粋なウィノに類似したシナリオの主要な物性的特徴を再現する、臨界モデルとしての役割を果たす。
• 直接検出実験（例：LZ）では約600 GeVまでの質量を探査可能であるが、間接検出では標準的仮定のもとで、Mχ ≲ 1 TeVおよび1.7–3.5 TeVの質量範囲が除外される。このギャップは、衝突型加速器探索によって埋められる。