[論文レビュー] $Z'$-explorer 2.0: reconnoitering the dark matter landscape

Víctor Martín Lozano, Rosa María Sandá Seoane+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

Z′-explorer 2.0 は、ダークマターを媒介する s チャネル メディエーターとしての U(1)′ ゲージボソン (Z′) を持つモデルに対して、LHC のモノジェットおよび可視最終状態探索を再解釈する高速で使いやすいソフトウェアツールです。欠落エネルギー探索を統合することで、全パラメータースペーススキャンが可能であり、ATLAS の 139 fb⁻¹ モノジェット探索の初の公開再解釈を含んでいます。フェルミオンへの任意のカップリングおよび一般のベクトル／軸性ベクトル型ダークマター相互作用をサポートし、イベントベースのシミュレーションを凌駕する高速性と柔軟性を大幅に向上させます。

ABSTRACT

We introduce version 2.0 of $Z'$-explorer, a software tool which provides a simple, fast and user-friendly test of models with an extra $U(1)$ gauge boson ($Z'$) against experimental LHC results. The main novelty of the second version is the inclusion of missing energy searches, as the first version only included final states into SM particles. Hence $Z'$-explorer 2.0 is able to test dark matter models where the $Z'$ acts as an s-channel mediator between the Standard Model and the dark sector, a widespread benchmark employed by the ATLAS and CMS experimental collaborations. To this end, we perform here the first public reinterpretation of the most recent ATLAS mono-jet search with 139 fb$^{-1}$. In addition, the corresponding searches in the visible final states have also been updated. We illustrate the power of our code by re-obtaining public plots, and also showing novel results. In particular, we study the cases where the $Z'$ couples strongly to top quarks (top-philic), where dark matter couples with a mixture of vector and axial-vector couplings, and also perform a scan in the parameter space of a string inspired Stückelberg model. $Z'$-explorer 2.0 is publicly available on GitHub.

研究の動機と目的

• LHC モノジェットデータに対する Z′-mediated ダークマター・モデルの直接的テストを可能にするために、欠落エネルギー探索を Z′-explorer に統合すること。
• モンテカルロ シミュレーションにかかるコストを回避しながら、正確なモデル構築を可能にする、イベントフリーの迅速な再解釈フレームワークを提供すること。
• 標準模型フェルミオンへの Z′ の任意のカップリングおよびダークマターへの一般のベクトル／軸性ベクトルカップリングをサポートし、簡略化ベンチマークモデルを超える柔軟性を提供すること。
• ATLAS の 139 fb⁻¹ モノジェット探索の公開再解釈と公表済み結果との比較を通じて、新機能の妥当性を検証すること。
• コミュニティがダークマターおよび新しい物理のモデル探索に利用できるように、GitHub でツールを公開すること。

提案手法

• ツールは、MadGraph5_aMC@NLO および Delphes 3.4.2 を用いて事前に計算された pp → Z′j 生産断面積グリッドを使用しており、検出器シミュレーションは ATLAS のデフォルトに合わせて調整済み。
• 各チャンネルにおける信号強度を計算するために、狭い幅近似 (NWA) を適用し、入力されたベンチマーク点に基づく補間された断面積および分岐比を用いる。
• 2次元 (MZ′, mχ) グリッド上で、入力された MZ′ および mχ に最も近い値をユークリッド距離を用いて特定し、事前に計算された信号イベントおよび実験的制限を取得する。
• 信号強度を欠落エネルギー (χχ) チャンネルで推定する際には、最も感度の高い実験的信号領域を比較対象とし、生産断面積と BR(χχ) の積を用いて制限を再重み付けする。
• すべての標準模型フェルミオンおよびダークマターへの左・右ヘンドの任意のカップリングをサポートし、gfV = ½(gfR + gfL) および gfA = ½(gfR − gfL) を用いてベクトルおよび軸性成分を計算する。
• 26列の入力カードを受け付け、MZ′、すべての標準模型フェルミオン（ニュートリノを除く）へのカップリング、部分幅（Γνν、ΓWW、ΓZh）、mχ、Z′–DM カップリング、全幅 Γxx を指定し、出力として信号強度と幅近似の警告を報告する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 欠落エネルギー探索を組み込むことで、LHC における Z′-mediated ダークマター・モデルのテスト感度はどの程度向上するか？
• RQ2 標準模型フェルミオンへの Z′ の任意のカップリングおよび一般のベクトル／軸性ベクトルカップリングが、簡略化ベンチマークモデルと比較して除外境界にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 Z′-explorer 2.0 のような高速でイベントフリーの再解釈ツールは、モンテカルロ イベント生成を一切行わずに、公表済みの LHC 結果を正確に再現できるか？
• RQ4 トップに偏った Z′ カップリングが、トップクォークへの強いカップリングを伴う状況下で、モノジェットおよびインビジブル最終状態探索の感度にどのように影響を及ぼすか？
• RQ5 ストリング理論に由来するステュッケルベルクモデルにおける一般のカップリング構造が、(MZ′, mχ) 平面上の除外領域に及ぼす影響は何か？

主な発見

• Z′-explorer 2.0 は、ATLAS の 139 fb⁻¹ モノジェット探索から得られた公表済みの除外プロットを高い精度で再現し、再解釈フレームワークの妥当性を検証した。
• 本ツールは、(MZ′, mχ) パラメータースペースの高速なスキャンを可能にし、2秒未満で最大 10³ 個のベンチマーク点を処理できる。イベントベースのツールに比べて顕著な高速性を実現した。
• トップに偏ったモデルでは、強い Z′ カップリングがトップクォークに由来するモノジェット生成が支配的であり、ボトムクォークの寄与は無視できるほど小さいことが判明した。
• 一般のベクトルおよび軸性ベクトルカップリングを導入することで、可視状態とインビジブル状態の間で非自明な相互作用が生じ、ベクトルのみまたは軸性のみのベンチマークとは異なる除外境界が得られた。
• 全幅が質量の 5% を超えるケースでは、狭い幅近似の不成立を正しく検出・警告するが、計算を停止せずに継続して処理を実行する。
• 本ツールは、すべての標準模型フェルミオンおよびダークマターへの任意のカップリングをサポートするフルモデルの柔軟性を備えつつ、既存の LHC 探索制限および公表済みデータと整合性を保っている。