[논문 리뷰] Recommendations of the LHC Dark Matter Working Group: Comparing LHC searches for heavy mediators of dark matter production in visible and invisible decay channels

A. Albert, Mihailo Backović외 28명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 38인용 수 53

한 줄 요약

본 논문은 스핀-1 다크 물질 단순화 모델에 렙톤 결합을 포함하도록 확장하고, 가시적(di-렙톤/di-제트) 및 비가시적(mono-X) 매개체 검색을 비교하기 위한 벤치마크를 제안하며, 간략한 해석적 및 수치적 잔존 밀도 계산과 간섭 효과 평가를 제시한다.

ABSTRACT

Weakly-coupled TeV-scale particles may mediate the interactions between normal matter and dark matter. If so, the LHC would produce dark matter through these mediators, leading to the familiar "mono-X" search signatures, but the mediators would also produce signals without missing momentum via the same vertices involved in their production. This document from the LHC Dark Matter Working Group suggests how to compare searches for these two types of signals in case of vector and axial-vector mediators, based on a workshop that took place on September 19/20, 2016 and subsequent discussions. These suggestions include how to extend the spin-1 mediated simplified models already in widespread use to include lepton couplings. This document also provides analytic calculations of the relic density in the simplified models and reports an issue that arose when ATLAS and CMS first began to use preliminary numerical calculations of the dark matter relic density in these models.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 MET 기반 매개체 검색과 완전히 가시적인 매개체 붕괴를 비교하도록 동기를 부여한다.
• 벡터 및 축벡터 매개체에 렙톤 결합을 포함시켜 디-렙톤 공명 제약을 가능하게 한다.
• 충돌기 및 잔존 밀도 연구를 지원하기 위한 폭(너비) 공식을 제공하고 모델 구현을 제시한다.
• 네 가지 벤치마크 커플링 시나리오를 제시하여 di-jet, di-lepton, 및 mono-X 채널 전반의 검색 보완성을 보여준다.
• 잔존 밀도 계산과 결과에 대한 t-채널 매개체 생산의 영향을 논의한다.

제안 방법

• 벡터 및 축벡터 매개체를 위한 렙톤 결합으로 스핀-1 단순화 모델을 확장한다.
• χχ, qq,ℓℓ,νν 최종 상태에 대한 부분 붕폭을 도출한다(식 2.4–2.7, 2.8–2.11).
• 지정된 g_DM, g_q, g_ℓ 값을 갖는 네 가지 벤치마크 커플링 시나리오: V1, V2, A1, A2를 제시한다.
• 디-렙톤 검색에서의 간섭 효과를 평가하고 영향력을 정량화한다(대략 5%까지 무시 가능).
• DM 잔존 밀도를 해석적으로 계산(식 3.1–3.4, 3.5–3.8)하고 MadDM 2.0.6 및 MicrOMEGAs로 수치적으로 계산하여 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 렙톤 결합이 있는 스핀-1 s-채널 모델에서 가시적(di-렙톤/di-제트)과 비가시적(mono-X) 매개체 검색은 어떻게 비교되는가?
• RQ2 렙톤 결합 포함이 매개체 붕폭과 검색 민감도에 미치는 의미는 무엇인가?
• RQ3 이들 모델에서 디-렙톤 채널의 신호와 Drell-Yan 배경 간섭 효과가 유의한가?
• RQ4 스칼라 및 스핀-1 매개체에 대한 해석적 및 수치적 잔존 밀도 계산은 어떻게 비교되며 어떤 채널이 지배적인가?
• RQ5 벤치마크 커플링 시나리오가 MET 검색과 가시적 붕괴 검색 간의 보완성을 충분히 보여 주는가?

주요 결과

• 렙톤 결합을 포함하면 디-렙톤 공명이 가능해져 충돌기 제약이 넓어진다.
• 디-렙톤 검색에서의 간섭 효과는 작아(≤5%), 제약에서 무시해도 된다.
• 네 가지 벤치마크 시나리오(V1, V2, A1, A2)는 mono-X, di-제트, di-렙톤 채널 간의 보완적 민감도를 보여준다.
• 단일 소멸 채널이 우세할 때 해석식과 MadDM/MicrOMEGAs 결과 간의 잔존 밀도 계산이 잘 일치한다.
• t-채널 소멸은 정확한 잔존 밀도 예측에 중요하며, 특히 축벡터 모델에서 그렇다.
• 더 넓은 매개체 시나리오와 비공명 검색은 표준 di-jet/di-lepton 공명 검색의 범위를 넘어서는 전용 연구가 필요할 수 있다.