[논문 리뷰] Global fits of simplified models for dark matter with GAMBIT I. Scalar and fermionic models with s-channel vector mediators

Christopher J. Chang, Pat Scott외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 GAMBIT 프레임워크를 사용하여 간단화된 암흑물질 모델의 글로벌 베이지안 피팅을 수행하며, s-채널 벡터 보편자가 쿼크와 상호작용하는 스칼라 및 페르미온성 암흑물질 후보자에 초점을 맞춘다. 모든 모델에서 광범위한 매개변수 공간 영역이 생존하는 것으로 밝혀졌으며, 특히 LHC 모노젯 초과와 잔류 밀도 제약 조건에 의해 유리한 공명 영역(암흑물질 질량 ≈ 보편자 질량의 1/2)이 강조된다. 이는 디르악 및 메조라나 페르미온 암흑물질에 특히 해당된다.

ABSTRACT

Simplified models provide a useful way to study the impacts of a small number of new particles on experimental observables and the interplay of those observables, without the need to construct an underlying theory. In this study, we perform global fits of simplified dark matter models with GAMBIT using an up-to-date set of likelihoods for indirect detection, direct detection and collider searches. We investigate models in which a scalar or fermionic dark matter candidate couples to quarks via an s-channel vector mediator. Large parts of parameter space survive for each model. In the case of Dirac or Majorana fermion dark matter, excesses in LHC monojet searches and relic density limits tend to prefer the resonance region, where the dark matter has approximately half the mass of the mediator. A combination of vector and axial-vector couplings to the Dirac candidate also leads to competing constraints from direct detection and unitarity violation.

연구 동기 및 목표

• GAMBIT 소프트웨어 프레임워크를 사용하여 간단화된 암흑물질 모델의 종합적인 글로벌 피팅을 수행하기 위해.
• s-채널 벡터 보편자가 쿼크와 상호작용하는 스칼라 및 페르미온성 암흑물질 후보자들이 현재의 실험 제약 조건에 부합하는지 평가하기 위해.
• 직접 탐측, 간접 탐측, 콜리라이저 탐색 및 잔류 밀도 측정 결과로부터의 제약 조건을 적용한 후 생존하는 매개변수 공간 영역을 규명하기 위해.
• 미래의 실험, 예를 들어 CTA와 DARWIN의 민감도를 나머지 생존 가능한 매개변수 공간에 대해 투영하기 위해.
• LHC 모노젯 초과가 모델의 생존 가능성에 미치는 영향과 단위성 제약 조건이 허용 가능한 매개변수 공간의 형태를 어떻게 결정하는지 탐구하기 위해.

제안 방법

• 간단화된 암흑물질 모델의 전체 베이지안 글로벌 피팅을 위해 GAMBIT(Global Beyond-particle physics, Model-building, and Bayesian Inference Tool) 프레임워크를 사용한다.
• LHC 런 2에 대한 직접 탐측(예: XENON1T, LUX), 간접 탐측(예: Fermi-LAT, HAWC), 그리고 콜리라이저 탐색(모노젯 및 디젯 최종 상태)의 포괄적인 우도 함수 집합을 적용한다.
• micrOMEGAs 모듈을 통해 잔류 밀도 제약 조건을 통합하여 암흑물질 잔류 밀도를 계산하고 Planck 2018 측정치와 비교한다.
• 모든 모델의 전체 매개변수 공간을 탐색하기 위해 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 샘플링을 수행한다. 이는 결합 상수와 질량을 포함한다.
• 실험 데이터의 체계적 불확실성을 반영하기 위해 부수적 매개변수 우도 함수를 사용한다.
• 미래의 민감도를 CTA 및 DARWIN 시뮬레이션을 사용하여 투영하여, 향후 실험의 탐지 능력을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 s-채널 벡터 보편자가 있는 스칼라 및 페르미온성 암흑물질의 매개변수 공간에서 현재 실험 제약 조건을 통과하는 영역는 어디인가?
• RQ2 LHC 모노젯 초과는 디르악 및 메조라나 페르미온 암흑물질 모델의 선호되는 매개변수 공간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 잔류 밀도 제약 조건과 직접 탐측 한계가 생존 가능한 매개변수 공간의 형태를 얼마나 강하게 결정하는가?
• RQ4 미래의 실험, 예를 들어 CTA와 DARWIN는 남아 있는 생존 가능한 매개변수 공간 영역을 얼마나 잘 제약하는가?
• RQ5 이러한 단순화된 모델에서 단위성 위반은 허용 가능한 결합 강도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 스칼라 암흑물질의 경우, 모델가 잔류 밀도를 완전히 설명하지 못할 경우, 고질량 암흑물질과 저질량 보편자에서 광범위한 매개변수 공간 영역이 생존한다.
• 디르악 페르미온 암흑물질 모델은 공명 생성( m_DM ≈ 0.5 × m_Mediator)을 선호하며, LHC 모노젯 초과에 의해 유도되어 암흑물질 질량 약 260 GeV, 보편자 질량 약 540 GeV에서 선호되는 질량 영역을 보인다.
• 관측된 잔류 밀도를 완전히 충족시키기 위해 요구할 경우, 선호되는 영역은 더 높은 질량 영역으로 이동한다: m_DM ≈ 580 GeV 및 m_Mediator ≈ 1.3 TeV.
• LHC 모노젯 초과가 배경 변동으로 인한 것이라 가정할 경우, 매개변수 공간이 크게 열리며 비공명 영역도 생존 가능해진다.
• 메조라나 페르미온 암흑물질 모델도 모노젯 초과를 잘 맞추며, 잔류 밀도 제약 조건을 충족시키며 공명 영역을 선호한다.
• 미래의 실험 중 CTA는 디르악 페르미온 모델에 가장 민감할 것이며, DARWIN는 모든 모델에서 수십에서 수백 건의 신호 사건을 제약할 것으로 예상되며, 특히 스칼라 및 디르악 암흑물질의 고보편자 질량 영역에 큰 영향을 줄 것이다.