[논문 리뷰] Kaluza-Klein Dark Matter: Direct Detection vis-a-vis LHC (IDM 2008 proceeding)

S. Arrenberg, L. Baudis외 3명|arXiv (Cornell University)|2008. 11. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 보편적 추가 차원(UED) 모델에서 칼루차-클라인 암흑 물질을 조사하며, 직접 탐지 실험과 LHC가 경량 칼루차-클라인 파artner(LKP) 후보자의 매개변수 공간을 조사하는 데 매우 상호보완적임을 보여준다. 또한 코애너히레이션과 질량 분리가 탐지 가능성에 미치는 영향을 강조하며, 콜라이더 제약 조건, 직접 탐지 민감도, 천체물리적 잔여 밀도 제약 조건을 조합하면 거의 모든 관련 매개변수 공간을 커버할 수 있음을 입증한다 — 특히 5차원 UED 모델에서의 $\gamma_1$ LKP에 대해 더욱 그렇다.

ABSTRACT

We explore the phenomenology of Kaluza-Klein (KK) dark matter in very general models with universal extra dimensions (UEDs), emphasizing the complementarity between high-energy colliders and dark matter direct detection experiments. In models with relatively small mass splittings between the dark matter candidate and the rest of the (colored) spectrum, the collider sensitivity is diminished, but direct detection rates are enhanced. UEDs provide a natural framework for such mass degeneracies. We consider both 5-dimensional and 6-dimensional non-minimal UED models, and discuss the detection prospects for various KK dark matter candidates: the KK photon γ_1 (5D) the KK Z-boson Z_1 (5D) and the spinless KK photon γ_H (6D). We combine collider limits such as electroweak precision data and expected LHC reach, with cosmological constraints from WMAP and the sensitivity of current or planned direct detection experiments. Allowing for general mass splittings, we show that neither colliders, nor direct detection experiments by themselves can explore all of the relevant KK dark matter parameter space. Nevertheless, they probe different parameter space regions and the combination of the two types of constraints can be quite powerful. For example, in the case of γ_1 in 5D UEDs the relevant parameter space will be almost completely covered by the combined LHC and direct detection sensitivities expected in the near future.

연구 동기 및 목표

• 보편적 추가 차원을 가진 일반 UED 모델에서 칼루차-클라인 암흑 물질의 현상학을 탐구하기 위해.
• 고에너지 콜라이더 탐색(LHC)과 직접 탐지 실험 간의 상호보완성을 평가하여, 칼루차-클라인 암흑 물질 후보자의 매개변수 공간을 조사하기 위해.
• LKP와 더 무거운 KK 상태 간 질량 분리가 직접 탐지율과 콜라이더 감도에 어떤 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• $\gamma_1$, $Z_1$, $\gamma_H$와 같은 LKP 후보자에 대해 잔여 밀도 계산에서 코애너히레이션의 역할을 평가하기 위해.
• LHC, 직접 탐지 실험, 천체물리적 제약 조건의 병합 감도가 UED 암흑 물질의 전체 매개변수 공간을 얼마나 잘 제약하는지 규명하기 위해.

제안 방법

• LKP와 다른 KK 상태 간 일반적인 질량 분리를 포함한 5차원 및 6차원 UED 시나리오 모델링. 쿼크, 게이지 보손, 힉스 보손 포함.
• 모든 관련 KK 입자의 코애너히레이션 기여를 포함한 볼츠만 방정식을 사용하여 효과적 잔여 밀도 계산.
• KK 쿼크와 힉스 보손을 포함한 고차원 교환 도형을 통한 트리 수준 계산을 통해 스핀 불변 LKP-핵자 산란 횡단면 계산.
• 전자약력 정밀도 데이터, WMAP 2σ 잔여 밀도 제약 조건, 현재 및 향후 직접 탐지 실험(CDMS, XENON10, 톤 스케일 검출기)의 제약 적용.
• 100 fb⁻¹ 루미노사티를 가진 $4\ell + \cancel{E}_T$ 채널을 사용하여 대량 질량 분리를 감지할 수 있는 LHC의 영향 범위 예측.
• 다양한 탐지 수 Mittel의 배제 한계를 비교하기 위해 $\Delta$ 대 $m_{LKP}$ 및 $m_h$ 대 $m_{LKP}$ 평면에서 매개변수 공간 매핑.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LKP와 더 무거운 KK 상태 간 질량 분리는 UED 모델에서 직접 탐지 횡단면과 콜라이더 서명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 LHC와 직접 탐지 실험은 칼루차-클라인 암흑 물질의 매개변수 공간을 개별적으로나 공동으로 얼마나 잘 제약할 수 있는가?
• RQ3 코애너히레이션은 LKP의 잔여 밀도에 어떤 영향을 미치며, 이는 천체물리적 제약 조건에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 힉스 보손 질량 변화는 직접 탐지 민감도에 어떤 영향을 미치며, 허용 가능한 매개변수 공간 내에서 힉스 보손 교환 기여는 유의미한가?
• RQ5 콜라이더, 직접 탐지, 천체물리적 제약 조건의 조합이 $\gamma_1$, $Z_1$, $\gamma_H$ LKP 후보자에 대해 가용 매개변수 공간을 완전히 커버할 수 있는가?

주요 결과

• 5차원 UED 모델에서 $\gamma_1$ LKP의 경우, LHC와 직접 탐지 민감도의 조합으로 거의 전체 가용 매개변수 공간을 커버할 수 있다.
• 직접 탐지 실험은 작은 질량 분리($\Delta \lesssim 50\%$)에 가장 민감하며, 현재 실험들은 이미 작은 $\Delta$ 값을 배제하고 있으며, 향후 톤 스케일 검출기는 나머지 매개변수 공간의 대부분을 커버할 것이다.
• LHC는 큰 질량 분리에 더 민감하며, 100 fb⁻¹ 루미노사티로 $\gamma_1$의 $\Delta$ 대 $m_{LKP}$ 평면에서 노란색으로 칠해진 영역을 커버할 것으로 예상된다.
• 코애너히레이션은 $\gamma_1$과 $Z_1$의 잔여 밀도 예측을 크게 감소시키며, 그 영향은 비단순적이며 특정 질량 스펙트럼에 따라 달라진다.
• 힉스 보손 교환은 직접 탐지 횡단면에 기여하지만 보조적 역할을 하며, 그 영향은 이미 배제된 매개변수 공간 영역에 국한되어 있다.
• WMAP 제약 조건에 따르면, 최소 UED 모델에서 $\gamma_1$의 LKP 질량는 약 500 GeV 이하로 제한되며, LKP가 총 암흑 물질의 일부만 기여한다면 더욱 강력한 제약 조건이 적용된다.