[논문 리뷰] Higher-order QCD predictions for dark matter production at the LHC in simplified models with s-channel mediators

Mihailo Backović, M. Krämer외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 s-채널 매개체를 가진 단순화된 모델에서 다크 매터(DM) 생성에 대해 다음 최고 순서(NLO) QCD 보정을 제시한다. FeynRules/MadGraph5_aMC@NLO 프레임워크를 사용하여 수행되었으며, NLO QCD 효과가 총 단면적과 미분 분포를 상당히 변화시킨다. 특히 저매개체 질량 상황에서 그러한 변화가 두드러지며, 이는 이론적 불확실성을 감소시키고 최대 약 ~2에 이르는 큰 K-요인을 드러낸다. 반면 제트 병합은 형태나 비율에 미치는 영향이 미미하다.

ABSTRACT

Weakly interacting dark matter particles can be pair-produced at colliders and detected through signatures featuring missing energy in association with either QCD/EW radiation or heavy quarks. In order to constrain the mass and the couplings to standard model particles, accurate and precise predictions for production cross sections and distributions are of prime importance. In this work, we consider various simplified models with s-channel mediators. We implement such models in the FeynRules/MadGraph5_aMC@NLO framework, which allows to include higher-order QCD corrections in realistic simulations and to study their effect systematically. As a first phenomenological application, we present predictions for dark matter production in association with jets and with a top-quark pair at the LHC, at next-to-leading order accuracy in QCD, including matching/merging to parton showers. Our study shows that higher-order QCD corrections to dark matter production via s-channel mediators have a significant impact not only on total production rates, but also on shapes of distributions. We also show that the inclusion of next-to-leading order effects results in a sizeable reduction of the theoretical uncertainties.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 s-채널 매개체를 가진 다크 매터 생성에 대해 정확한 NLO QCD 예측을 제공하기 위해.
• 더 높은 순서의 QCD 보정이 다크 매터 생성에서 총 단면적과 미분 분포에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 특히 결합된 운동량 에너지(MET) + 제트 및 MET + 토프 쿼크 쌍과 관련하여, 주어진 이론적 불확실성을 줄이기 위해 최초 순서(LO)와 NLO 예측을 비교함으로써.
• 정밀한 LHC 현상학을 위한 FeynRules/MadGraph5_aMC@NLO 프레임워크 내에서 다크 매터 단순화 모델의 구현을 검증하기 위해.
• LHC 런 II 동안 다크 매터 탐지에 대한 NLO 보정의 현상학적 함의를 탐색하기 위해, 제트 다중도 및 형태 효과를 포함하여.

제안 방법

• FeynRules/MadGraph5_aMC@NLO 프레임워크를 사용하여 s-채널 스핀-0 및 스핀-1 매개체를 가진 단순화된 다크 매터 모델을 구현하여 전반적인 NLO QCD 계산을 수행한다.
• 최대 두 개의 제트 및 토프 쿼크 쌍과 함께 생성된 다크 매터에 대한 NLO 단면적과 미분 분포를 계산한다.
• 부분자 수준 NLO 샘플과 파arton 샤워를 결합하기 위해 FxFx 병합 기법을 적용하여 정확한 제트 다중도 분포를 확보한다.
• 스케일 및 PDF 불확실성으로 이론적 오차 추정치를 대체로 사용하여 LO 및 NLO 결과를 비교한다.
• 고-진동수 영역에서 신호 대 배경 비율 향상을 평가하기 위해 주요 표준모형 배경과 비교한다.
• 저질량 매개체 상황에서 소프트/결합 특이성으로 인해 발생하는 큰 K-요인을 완화하기 위해 MET 절단 조건의 역할을 조사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 s-채널 매개체를 통해 다크 매터 생성에 대해 NLO QCD 보정이 총 단면적과 미분 단면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 특히 MET + 제트 및 MET + t\bar{t} 최종 상태와 관련하여, NLO 보정이 다크 매터 단순화 모델의 이론적 불확실성을 어느 정도 감소시키는가?
• RQ3 NLO 수준에서 제트 병합이 MET 및 두 번째로 강한 제트의 운동량의 형태와 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 ‘기적의 K-요인’이 나타나는 매개변수 공간의 영역은 어디이며, 어떻게 MET 절단 조건이 그 영향을 억제할 수 있는가?
• RQ5 스핀-0 매개체 모델에서 다크 매터-표준모형 상호작용의 편미분 성격을 드러내기 위해 t\bar{t}의 진동수 질량 분포 형태는 어떤가?

주요 결과

• 다크 매터 및 매개체 질량이 약 10–100 GeV인 경우, NLO QCD 보정으로 인해 최대 약 ~2에 이르는 K-요인이 발생하며, 이는 LO 예측과의 상당한 이격을 나타낸다.
• 스케일 및 PDF 변동에 의한 이론적 불확실성은 LO에서 NLO로 이행함에 따라 상당히 감소하며, 특히 저질량 매개체 영역에서 두드러진다.
• 다크 매터 및 매개체 질량이 O(100) GeV 수준일 경우, NLO 효과는 두 번째 제트의 고-진동수 꼬리 부분의 단면적 분포를 정확히 기술하는 데 필수적이며, 여기서 보정은 한 단계 정도의 크기를 가질 수 있다.
• 저질량 매개체 상황에서 단일 제트 생성의 기적의 K-요인은 낮은 MET 및 높은 제트 운동량 영역에서 발생하지만, 충분히 큰 MET 절단 조건을 적용함으로써 효과적으로 억제된다.
• FxFx를 통한 제트 다중도 병합은 핵심 분포의 형태와 총 비율에 거의 영향을 주지 않으며, 이는 이러한 관측량에 대해 FO NLO 계산만으로도 충분하다는 것을 시사한다.
• 매개체 질량이 낮을 경우(≤ O(100) GeV), t\bar{t}의 진동수 질량 분포 형태는 다크 매터-표준모형 상호작용의 편미분 성격에 민감하므로, 상호작용 유형을 탐지하는 강력한 탐지 수단이 된다.