[논문 리뷰] Physics performance for Dark Matter searches at $\sqrt{s}=$ 3 TeV at CLIC using mono-photons and polarised beams

J.J. Blaising, P. Roloff외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 10.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 6인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 √s = 3 TeV에서의 Compact Linear Collider(CLIC)가 펄라리제이션된 전자 빔을 사용하여 단일 광자 최종 상태를 통한 어둠의 물질에 대한 민감도를 평가한다. 왼쪽과 오른쪽 수동성 빔을 활용하여 표준모형 배경을 억제하고, 광자 에너지 분포에 대해 카이제곱 적합을 적용함으로써 CLIC는 1 TeV WIMPs에 대해 1% 질량 해상도를 달성하며, 강한 결합에 대해 최대 9 TeV까지 단순화된 어둠의 물질 모델을 배제할 수 있어, 매개체 및 WIMP 질량의 정밀한 식별이 가능하다.

ABSTRACT

The potential for detecting DM at the Compact Linear Collider (CLIC) is investigated at \mbox{$\sqrt{s}=$ 3 TeV}. The sensitivity of the search is estimated by computing the 95\% confidence level upper limit cross section as a function of the dark matter mass. Left-handed (right-handed) polarised \Pem beams increase (decrease) respectively the Standard Model backgrounds and are essential to characterize the WIMPs properties and control the systematic errors. Using right-handed polarised \Pem beams is decreasing significantly the 95\% confidence level cross section. Using the ratio of the energy distributions for left-handed and right-handed polarised \Pem beams, systematic errors cancel out. Computing the 95\% confidence level upper limit cross section using the ratio requires a model assumption to compute the expected number of signal events. Exclusion limits for dark matter are derived using dark matter Simplified Models for two values of the e-e-mediator vertex coupling, a mediator width of 10 GeV and for a fixed value of the mediator-DM-DM coupling. For a mediator mass of 3.5 TeV, the measurement of the differential distribution of the significance as a function of the photon energy for the process \mbox{\Pem \Pep $ o$ X X \PGg} allows the discrimination between different dark matter mediators and the measurement of the WIMP mass to nearly half the centre-of-mass energy. For a \mbox{1 TeV} WIMP, the mass is determined with a 1\% accuracy.

연구 동기 및 목표

• √s = 3 TeV에서의 CLIC가 약하게 상호작용하는 거대한 입자(WIMPs)를 어둠의 물질 후보로 탐지할 수 있는 물리적 잠재력을 평가한다.
• 전자 빔 펄라리제이션이 표준모형 배경을 어떻게 감소시키고 어둠의 물질 신호에 대한 감도를 향상시키는지 조사한다.
• 차별화된 의미 분포를 사용하여 단순화된 어둠의 물질 모델에서 벡터 및 축성-벡터 매개체 유형을 식별하는 방법을 개발한다.
• 광자 에너지 의존성 의미 분포에 대한 카이제곱 적합을 통해 고정밀 WIMP 질량 결정을 달성한다.
• 다양한 매개체 결합 및 질량에 대해 단순화된 어둠의 물질 모델에서의 배제 한계를 유도한다.

제안 방법

• WHIZARD 2를 사용하여 √s = 3 TeV에서 e⁻e⁺ → XXγ 과정을 시뮬레이션하고, 광자 운동량을 정확히 계산하기 위해 최대 3개의 광자를 포함한 전체 행렬 요소 계산을 수행한다.
• CLIC 빔 시뮬레이션(GuineaPig)을 사용하여 빔 에너지 분포를 모델링하고, circe2를 통해 WHIZARD에 통합하여 루미노시티 스펙트럼 효과를 반영한다.
• ISR 광자와 행렬 요소 광자가 겹치는 사건을 거부하는 융합 절차를 구현하여 현실적인 광자 탐지 운동량을 확보한다.
• 신호 감도와 배경 억제를 추출하기 위해 광자 에너지에 대한 차별화된 의미 분포 dZ/dEγ를 계산한다.
• 가짜 데이터와 dZ/dEγ의 템플릿 분포 사이의 카이제곱 적합을 수행하여 최적의 매개체 유형과 WIMP 질량을 식별한다.
• 왼쪽과 오른쪽 수동성 빔에 대한 배경 효율성(Rb)과 신호+배경 효율성(Rb+s)의 비율을 사용하여 체계적 오차를 상쇄시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CLIC가 √s = 3 TeV에서 펄라리제이션된 전자 빔을 사용하여 단일 광자 최종 상태를 통해 어둠의 물질에 대해 어떤 민감도를 보이는가?
• RQ2 전자 빔 펄라리제이션(왼쪽 또는 오른쪽 수동성)은 표준모형 배경 억제와 WIMP 질량 측정 정밀도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 dZ/dEγ의 차별화된 분포는 단순화된 어둠의 물질 모델에서 벡터 및 축성-벡터 매개체 가설을 식별하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ4 dZ/dEγ 분포에 대한 카이제곱 적합을 사용할 때 WIMP 질량 결정의 가능 정확도는 얼마인가?
• RQ5 다른 매개체 결합 및 WIMP 질량에 대해 단순화된 어둠의 물질 모델에서의 배제 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 오른쪽 수동성 전자 빔을 사용하면 교차단면에 대한 95% 신뢰수준 상한선이 크게 감소하여 어둠의 물질 신호에 대한 감도가 향상된다.
• 왼쪽과 오른쪽 수동성 빔에 대한 효율성 비율이 체계적 오차를 상쇄하여 신호 및 배경 모델 간의 신뢰성 있는 비교를 가능하게 한다.
• 1 TeV WIMP 및 3.5 TeV 매개체 질량 조건에서 dZ/dEγ 분포에 대한 카이제곱 적합을 통해 WIMP 질량을 1% 정밀도로 결정할 수 있다.
• 벡터 매개체 적합의 최소 χ² 값은 15.6이며, 최적의 질량은 1019⁺⁷₋₇ GeV이다. 축성-벡터 매개체의 경우 최소 χ² 값은 9.0이며, 최적의 질량은 1012⁺⁸₋₈ GeV이다.
• 매개체-어둠의 물질 결합 상수 geY = 1일 경우 단순화된 모델에서 배제 한계가 최대 9 TeV까지 확장되며, geY = 0.1일 경우 도달 범위는 4 TeV이다.
• 정규화와 결합된 이 방법은 벡터-벡터 가설을 성공적으로 식별 및 배제할 수 있었으며, χ² 값이 유사하더라도 벡터-벡터 가설은 배제되었다.