[논문 리뷰] Dark Matter Stabilization Symmetries and Long-Lived Particles at the Large Hadron Collider

Devin G. E. Walker|ArXiv.org|2009. 07. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 대형 하드론 충돌기(LHC)가 비대칭성 보존 대칭(예: Z₃, Z₂×Z₂, 전역 SU(3))에 의해 안정화되는 어둠의 물질 모형을 기존의 Z₂ 대칭 보존에 의해 안정화되는 모형과 두 개의 장수 입자와 큰 미소된 횡방향 에너지(E_T/)의 서명을 통해 어떻게 구별할 수 있는지 조사한다. 이는 Z₂ 모형에서는 대칭 선택 규칙으로 인해 이러한 신호가 억제되지만, 비대칭성 모형에서는 가능하다는 것을 보여주며, 10 fb⁻¹ 루미노사티의 경우 통계적 유의성은 S/√B ≈ 34.3(ATLAS), S/B ≈ 4.1로 나타난다. 300 GeV의 장수 입자에 대해.

ABSTRACT

Many popular models of new physics beyond the Standard Model use a parity to stabilize weakly interacting, dark matter candidates. We examine the potential for the CERN Large Hadron Collider to distinguish models with parity stabilized dark matter from models in which the dark matter is stabilized by other symmetries. In this letter, we focus on signatures involving long-lived particles and large amounts of missing transverse energy. To illustrate these signatures, we consider three models from the literature which are representative of a more general class of models with non-traditional stabilization symmetries. The most optimistic scenario can observe the proposed signature with a minimum of 10 inverse fb of integrated luminosity at design center of mass energy. It will probably take considerable longer to validate the stabilizing symmetry is not a simple parity. In all, we emphasize that the underlying symmetry that stabilizes weakly interacting dark matter has tremendous implications for the LHC and our understanding of the nature of dark matter.

연구 동기 및 목표

• LHC가 비대칭성 보존 대칭에 의해 안정화되는 어둠의 물질 모형을 Z₂ 대칭 보존에 의해 안정화되는 모형과 어떻게 구별할 수 있는지 조사하는 것.
• Z₂ 모형에서는 억제되지만 비대칭성 모형에서는 가능성이 있는, 두 개의 장수 입자와 큰 E_T/를 특징으로 하는 고유한 충돌기 서명을 식별하는 것.
• 대표적인 비대칭성 보존 안정화 모형에서 이러한 서명의 통계적 유의성과 신호 대 배경 비율을 정량화하는 것.
• ATLAS와 CMS 검출기에서 장수 입자가 통과할 때의 에너지 손실과 미소된 에너지 기여를 추정하기 위해 빠른 검출기 시뮬레이션을 개발하는 것.
• 이러한 신호를 관측하고 기저의 안정화 대칭을 구별하기 위해 필요한 루미노사티 조건을 평가하는 것.

제안 방법

• 대표적인 비대칭성 보존 안정화 모형 세 가지에 대해 효과적 장영이론을 구성한다: Pati-Salam 게이지 이론(Z₂×Z₂), Z₃ 대칭 모형, 그리고 1 GeV 게이지 보손을 가진 경량 은밀한 영역.
• 장수 입자(ψ)와 미소된 횡방향 에너지(E_T/)를 포함하는 주요 생성 과정을 식별하며, 이는 SM 유사 상호작용, 힉스 또는 게이지 보손의 교환에 의한 ψψ̄ 생성을 포함한다.
• 주로 Z → νν̄와 같은 표준모형 배경을 억제하기 위해 운동학적 및 각도적 절단 조건(예: cosφ < -0.9)을 적용한다.
• 장수 입자가 ATLAS 및 CMS 검출기를 통과할 때의 에너지 손실과 미소된 에너지 기여를 모델링하기 위해 빠른 검출기 시뮬레이션을 사용한다.
• 실제 검출기 수용율과 배경 추정치를 사용하여 통합 루미노사티 10 fb⁻¹에서 통계적 유의성(S/√B)과 신호 대 배경 비율(S/B)을 계산한다.
• 모델 간 및 검출기 간(예: ATLAS 대비 CMS)의 신호 수확량을 비교하며, Z₂ 억제 신호와 비대칭성 증폭 신호를 구별하는 데 중점을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC는 장수 입자 서명을 사용하여 비대칭성 보존 대칭에 의해 안정화되는 어둠의 물질 모형을 Z₂ 대칭 보존에 의해 안정화되는 모형과 어떻게 구별할 수 있는가?
• RQ2 왜 Z₂ 대칭 보존에 의해 안정화되는 모형에서는 두 개의 장수 입자와 큰 E_T/를 포함하는 서명이 억제되는가?
• RQ3 10 fb⁻¹ 루미노사티에서 이러한 서명의 통계적 유의성은 비대칭성 보존 안정화 모형에서 얼마인가?
• RQ4 에너지 손실이 캘로리메터에서 발생하는 것과 같은 검출기 효과는 장수 입자에 대한 미소된 에너지 서명에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 비대칭성 보존 안정화 모형에서 통계적으로 유의미한 신호를 관측하기 위해 필요한 루미노사티는 얼마인가?

주요 결과

• Z₂ 대칭 보존에 의해 안정화되는 모형에서는 대칭 선택 규칙으로 인해 최종 상태에 짝수 개의 대칭성이 없는 입자가 요구되므로, 두 개의 장수 입자와 큰 E_T/를 포함하는 신호가 억제된다.
• 300 GeV의 장수 입자 ψ를 가진 Pati-Salam 모형에서, 10 fb⁻¹ 루미노사티에서 통계적 유의성은 ATLAS에서 S/√B = 34.3, S/B = 4.1에 도달한다.
• 1 GeV 게이지 보손을 가진 경량 은밀한 영역 모형에서, 300 GeV ψ에 대해 10 fb⁻¹ 루미노사티에서 통계적 유의성은 S/√B = 5.33(ATLAS), S/B = 0.63이며, 100 fb⁻¹에서는 더 높은 유의성이 나타난다.
• CMS 검출기가 동일한 모형에서 ATLAS보다 더 높은 유의성을 보이며, 고 E_T/ 이벤트에 대해 더 뛰어난 해상도와 수용율 덕분이다.
• 빠른 검출기 시뮬레이션은 장수 입자의 에너지 손실을 정확히 모델링하여 ATLAS 및 CMS에서의 미소된 에너지 추정에 신뢰할 수 있는 기반을 제공한다.
• 300 GeV ψ 입자에 대해 가장 유망한 결과를 보이며, 100 fb⁻¹ 루미노사티에서 ATLAS에서는 통계적 유의성이 30을 초월하고, CMS에서는 70이 넘는다.