[논문 리뷰] S-Channel Dark Matter Simplified Models and Unitarity

Christoph Englert, Matthew McCullough외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 62인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 s-채널 다크 머터니티 간단 모델의 펌프트라티브 유니타리성에 대해 연구하며, 경량 쿼크 질량에 의한 억제로 인해 단지 매우 큰 결합 상수에서만 유니타리성 위반이 발생하며, 이는 펌프트라티브 유효성 이외의 영역임을 입증한다. 또한, 스칼라 매개체가 벡터 보손과만 상호작용하는 새로운 '페르미오프로비크 스칼라' 간단 모델을 제안하며, 이는 안정적인 현상학적 특성을 보이며 VBF 기반의 부족 에너지 탐색을 향상시킨다.

ABSTRACT

The ultraviolet structure of $s$-channel mediator dark matter simplified models at hadron colliders is considered. In terms of commonly studied $s$-channel mediator simplified models it is argued that at arbitrarily high energies the perturbative description of dark matter production in high energy scattering at hadron colliders will break down in a number of cases. This is analogous to the well documented breakdown of an EFT description of dark matter collider production. With this in mind, to diagnose whether or not the use of simplified models at the LHC is valid, perturbative unitarity of the scattering amplitude in the processes relevant to LHC dark matter searches is studied. The results are as one would expect: at the LHC and future proton colliders the simplified model descriptions of dark matter production are in general valid. As a result of the general discussion, a simple new class of previously unconsidered `Fermiophobic Scalar' simplified models is proposed, in which a scalar mediator couples to electroweak vector bosons. The Fermiophobic simplified model is well motivated and exhibits interesting collider and direct detection phenomenology.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 다크 머터니티 생성을 위한 s-채널 단순 모델의 타당성을 펌프트라티브 유니타리성 분석을 통해 평가하기.
• 고에너지에서 유니타리성 위반이 발생함으로써 단순 모델이 붕괴되는 시점 규명하기.
• 이전 문헌에서 다뤄지지 않은, '페르미오프로비크 스칼라' 매개체를 포함한 새로운 단순 모델 클래스 제안하기.
• 새로운 페르미오프로비크 모델의 콜라이더 및 직접 탐지 현상학 평가하기.
• 완전한 단순 모델 세트를 포함시켜 UV 완성 현상학을 포괄하는 중요성 강조하기.

제안 방법

• LHC의 모노-젯, 모노-W, 모노-Z 서명과 관련된 s-채널 단순 모델에서의 산란 진폭 분석.
• 펌프트라티브 유니타리성 제약 조건을 적용하여 진폭이 유니타리성을 위반하는 에너지 스케일 식별하기.
• Gounion–Gunion–Kane 기준을 사용하여 벡터 및 아크시얼-벡터 매개체 모델에서의 유니타리성 붕괴 평가하기.
• 쿼크와 렙톤과의 직접 결합을 피하는 W 및 Z 보손과만 상호작용하는 새로운 스칼라 매개체 도입 (페르미오프로비크).
• 결합 강도 제약 조건과 너비 조건 (Γ < m_S/2)을 통해 모델의 현상학 평가하기.
• 유니타리성 제약 조건을 펌프트라티브 붕괴 추정치와 쿼크 질량 억제 효과와 비교하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 s-채널 다크 머터니티 생성의 펌프트라티브 기술이 유니타리성 위반으로 인해 붕괴되는 에너지 스케일은 어느 정도인가?
• RQ2 경량 쿼크 초기 상태를 가진 단순 모델에서 쿼크 질량 억제는 유니타리성 위반의 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 쿼크가 아닌 벡터 보손과만 상호작용하는 스칼라 매개체(페르미오프로비크)의 현상학적 함의는 무엇인가?
• RQ4 UV 완성도가 없는 상태에서도 단순 모델 접근법이 LHC 다크 머터니티 탐색에 여전히 유효한가?
• RQ5 UV 완전한 다크 머터니티 이론의 콜라이더 현상학을 완전히 포괄하기 위해 필요한 새로운 단순 모델 클래스는 무엇인가?

주요 결과

• 매개체 너비가 그 질량의 절반 이하일 경우, 물리적으로 타당한 결합 강도에서 LHC에서 s-채널 단순 모델의 펌프트라티브 유니타리성이 유지된다.
• 유니타리성 위반은 오직 매우 큰 결합 상수에서만 발생하며, 이는 펌프트라티브 이론의 붕괴와 일치하며, 실험적으로 관련이 있는 에너지에서는 발생하지 않는다.
• 경량 쿼크 초입 상태를 가진 과정에서 쿼크 질량 억제는 유니타리성 위반의 위험을 크게 감소시켜 단순 모델 접근법의 강건성을 보장한다.
• 새로 제안된 '페르미오프로비크 스칼라' 매개체 모델은 오직 W 및 Z 보손과만 상호작용하며, 쿼크 및 렙톤과의 직접 결합을 피한다.
• 이 모델은 안정적인 유니타리성 특성을 보이며, LHC에서 VBF 기반의 부족 에너지 탐색을 위한 새로운 기회를 제공한다.
• 분석 결과는 결합 상수를 펌프트라티브로 유지하고 너비를 제약 조건에 둔다면, 단순 모델의 계속된 사용이 타당하다고 지지한다.