[논문 리뷰] Search for Double Charged Particles as Direct Test for Dark Atom Constituents

O.V. Bulekov, Maxim Khlopov외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 29.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 안정한 이중으로 빛나는 입자(X^{--})가 O-헬륨 어둠자기 원자에 결합되어 우주론적 어둠의 물질을 설명하면서도, 비정상 이소토프 과잉 생성의 제약을 피할 수 있음을 제안한다. 이들 입자는 AC-레프톤 및 워킹 테크놀로지 모델과 같은 이론에서 예측되며, LHC에서 직접 탐색 가능하다. 현재의 제한은 680 GeV이며, 런 2 데이터에서 최대 1.3 TeV까지의 감지 가능 범위를 예측하며, 복합 어둠의 물질 시나리오에 대한 핵심적 검증을 제공한다.

ABSTRACT

The nonbaryonic dark matter of the Universe is assumed to consist of new stable particles. Stable particle candidates for cosmological dark matter are usually considered as neutral and weakly interacting. However stable charged leptons and quarks can also exist hidden in elusive dark atoms and can play a role of dark matter. Such possibility is strongly restricted by the constraints on anomalous isotopes of light elements that form positively charged heavy species with ordinary electrons. This problem might be avoided, if stable particles with charge -2 exist and there are no stable particles with charges +1 and -1. These conditions cannot be realized in supersymmetric models, but can be satisfied in several alternative scenarios, which are discussed in this paper. The excessive -2 charged particles are bound with primordial helium in O-helium atoms, maintaining specific nuclear-interacting form of the dark matter. O-helium dark matter can provide solution for the puzzles of dark matter searches. The successful development of composite dark matter scenarios appeals to experimental search for doubly charged constituents of dark atoms. Estimates of production cross section of such particles at LHC are presented and discussed. Signatures of double charged particles in the ATLAS experiment are outlined.

연구 동기 및 목표

• 복합 O-헬륨 원자에서 어둠의 물질의 구성 요소로 안정한 이중으로 빛나는 입자(X^{--})의 가능성 탐색.
• 특히 경량 원소에서 비정상 이소토프 과잉 생성과 관련된 어둠의 물질에 대한 천체물리적 제약 해결.
• O-헬륨 어둠의 물질 모델이 DAMA, XENON100, LUX와 같은 직접 어둠의 물질 탐측 실험의 불일치를 해결할 수 있음을 제안.
• LHC에서 X^{--}를 위한 콜라이더 탐색을 통해 복합 어둠의 물질 모델에 대한 직접 실험적 검증 제공.
• ATLAS 및 CMS 데이터를 기반으로 런 2 동안의 이중으로 빛나는 입자에 대한 기대 질량 감지 한계 추정.

제안 방법

• X^{--}와 초기 헬륨-4 사이의 중성 결합 상태로 O-헬륨 어둠의 물질 모델링; X^{--}는 헬륨 핵에 의해 차폐되어 지구 기반 탐측기에서의 핵 반응을 억제.
• 천체물리적 제약 분석을 통해 +1 또는 -1 전하를 가진 입자들과 달리, 전하 -2인 X^{--}만이 비정상 헬륨 과잉을 피함을 보여줌.
• 표준 빅뱅 핵합성(BBN) 프레임워크를 사용하여 X^{--}가 ^4He에 포획되어 안정한 OHe 원자를 형성할 수 있음을 보여줌.
• AC-레프톤, 테크놀레프톤, 4차/5차 세대 쿼크 클러스터 등의 이론 모델을 사용해 LHC에서 X^{--}의 생성 단면적 추정.
• ATLAS 및 CMS 실험에서의 검출 가능 서명 개략화: 고다중도 트랙 및 이온화 에너지 손실.
• 런 2 데이터 기반 예상 통합 루미노시티(√s = 13 TeV, 120 fb⁻¹) 및 신호 효율 가정을 바탕으로 질량 한계 예측.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 안정한 이중으로 빛나는 입자(X^{--})가 비정상 이소토프 과잉 제약을 위반하지 않고 어둠의 물질의 구성 요소로 존재할 수 있는가?
• RQ2 O-헬륨 어둠의 물질 모델은 DAMA의 연간 조절 신호와 XENON100 및 LUX의 부정적 결과를 어떻게 설명하는가?
• RQ3 LHC의 ATLAS 및 CMS 실험에서 X^{--} 입자의 기대 콜라이더 서명은 무엇인가?
• RQ4 런 2 데이터(2015–2018) 기반으로 X^{--} 입자에 대한 질량 한계는 무엇인가?
• RQ5 ATLAS와 CMS의 런 2 통계를 통합하면 이중으로 빛나는 입자에 대한 감지 민감도가 개별 실험을 초월할 수 있는가?

주요 결과

• ATLAS 및 CMS의 현재 실험 제한은 7 및 8 TeV 데이터 기반으로 95% 신뢰수준에서 680 GeV 이하의 이중으로 빛나는 입자를 배제한다.
• 전체 런 2 데이터(13 TeV, 약 120 fb⁻¹/실험) 기반 예측 질량 하한은 실험당 약 1.2 TeV에 도달할 것으로 예상된다.
• ATLAS와 CMS의 런 2 통계를 통합할 경우, 이중으로 빛나는 입자에 대한 질량 하한은 최대 1.3 TeV까지 도달할 수 있다.
• O-헬륨 어둠의 물질 모델은 DAMA 연간 조절 신호, 냉각 탐측기에서의 신호 부재, 그리고 INTEGRAL의 양성자 파동선 과잉을 일관된 방식으로 설명한다.
• X^{--} 입자는 기본 입자(예: AC-레프톤)이든 복합 입자(예: 무거운 쿼크 클러스터)이든 간에, 다른 이국적 입자들과는 다릅니다.
• LHC에서 X^{--}를 탐색하는 것은 복합 어둠의 물질 시나리오에서 전하를 띤 구성 요소의 존재에 대한 직접적이고 핵심적인 검증으로 간주된다.