[논문 리뷰] TASI 2008 lectures on Collider Signals II: E_T^missing signatures and the dark matter connection

Howard Baer|ArXiv.org|2009. 01. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 11인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서의 부족한 횡방향 에너지($\not\!E_T$) 서명을 새로운 물리학, 특히 초대칭(SUSY), T-대칭이 있는 작은 히iggs 모델(LHT), 그리고 통합된 추가 차원(UED)의 탐사 수 Mittel로 제시하며, 잔류 밀도 제약 조건을 통해 이 서명들을 암흑 물질(DM)과 연결한다. 이는 양자역학적 통일된 SUSY에서 아키노/아키온 DM이 관측된 잔류 밀도를 자연스럽게 달성할 수 있음을 보여주며, 중성미온의 과잉 생성 문제를 해결하고, LHC에서 다중 뮤온 및 제트 최종 상태를 포함한 검출 가능한 $\not\!E_T$ 신호를 예측한다.

ABSTRACT

These lectures give an overview of aspects of missing E_T signatures from new physics at the LHC, along with their important connection to dark matter physics. Mostly, I will concentrate on supersymmetric (SUSY) sources of missing E_T, but will also mention Little Higgs models with T-parity (LHT) and universal extra dimensions (UED) models with KK-parity. Lecture 1 covers SUSY basics, model building and spectra computation. Lecture 2 addresses sparticle production and decay mechanisms at hadron colliders and event generation. Lecture 3 covers SUSY signatures at LHC, along with LHT and UED signatures for comparison. In Lecture 4, I address the dark matter connection, and how direct and indirect dark matter searches, along with LHC collider searches, may allow us to both discover and characterize dark matter in the next several years. Finally, the interesting scenario of Yukawa-unified SUSY is examined; this case works best if the dark matter turns out to be a mixture of axion/axino states, rather than neutralinos.

연구 동기 및 목표

• LHC에서의 부족한 횡방향 에너지($\not\!E_T$) 서명을 암흑 물질(DM) 물리학, 특히 초대칭(SUSY) 모델과 연결하기 위해.
• 중성미온이 관측된 암흑 물질 밀도보다 과잉 생성되는 초대칭(SUSY) 모델에서의 천체물리학적 잔류 밀도 문제를 해결하기 위해.
• 양자역학적 통일된 SUSY 시나리오에서 중성미온 과잉 생성 문제를 해결할 수 있는 대안적 DM 후보자인 아키노와 아키온을 탐색하기 위해.
• SUSY, LHT, UED 모델 간의 충돌기 신호를 비교하며, LHC에서의 $\not\!E_T$가 풍부한 최종 상태에 중점을 두기 위해.
• 만약 새로운 물리학이 테바 스케일에서 발견된다면, LHC, 직접적, 간접적 DM 탐색이 함께 작용하여 암흑 물질의 성질을 유일하게 특성화할 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 강입자 충돌기에서 스퍼파트클 생성 및 붕괴 체인을 계산하기 위해 효과적 장 이론과 R-대칭 보존 SUSY 모델을 사용한다.
• 중성미온 밀도를 제약하기 위해 봄졸레르 방정식을 적용하여 잔류 밀도 계산을 수행하며, WMAP5에서의 $\Omega_{\widetilde{Z}_1}h^2 \approx 0.11$를 사용한다.
• 중성미온의 늦은 붕괴를 통해 중성미온 과잉 생성 문제를 해결하기 위해 아키노와 아키온 DM을 도입한다: $\widetilde{Z}_1 \to \tilde{a} + \gamma$, 이로 인해 잔류 밀도가 $10^{-2}$에서 $10^{-5}$로 감소한다.
• 글루아노 쌍 생성($\sigma \sim 10^5$ fb)과 $b\bar{b}\widetilde{Z}_2$, $b\bar{b}\widetilde{Z}_1$, $t\bar{b}\widetilde{W}_1$ 최종 상태로의 붕괴를 분석한다.
• 재열 온도 $T_R \lesssim 10^9$ GeV를 만족해야 Big Bang 핵합성(BBN)을 방해하지 않기 때문에, $m_{16} \sim 3-15$ TeV인 양자역학적 통일된 SUSY에서의 중력이론 DM을 고려한다.
• 우주론적 및 충돌기 제약 조건을 만족하기 위해 $f_a \gtrsim 10^{12}$ GeV 및 $m_{16} \gtrsim 10$ TeV 조건을 만족하는 혼합된 아키온/아키노 DM 시나리오를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서의 부족한 횡방향 에너지($\not\!E_T$)는 표준 모델을 초월한 새로운 물리학의 서명으로서 어떻게 작용할 수 있는가?
• RQ2 최소한의 SUSY 모델에서 중성미온이 관측된 암흑 물질 잔류 밀도보다 과잉 생성되는 이유는 무엇이며, 이를 어떻게 해결할 수 있는가?
• RQ3 양자역학적 통일된 SUSY에서 아키노와 아키온은 중성미온 잔류 밀도 문제를 어떻게 해결하는가?
• RQ4 양자역학적 통일된 SUSY에서 경량 글루아노와 카린오에 대해 예상되는 충돌기 서명—특히 다중 뮤온 및 제트 최종 상태—는 무엇인가?
• RQ5 만약 새로운 물리학이 발견된다면, LHC, 직접적, 간접적 DM 탐색의 조합이 암흑 물질의 성질을 어떻게 고유하게 특성화할 수 있는가?

주요 결과

• 최소한의 SUSY에서 중성미온의 잔류 밀도는 관측된 값보다 $10^2$에서 $10^5$ 배 더 크며, 이는 천체물리학과의 기본적인 괴리로 간주된다.
• 아키노와 아키온 DM은 중성미온의 늦은 붕괴를 통해 잔류 밀도를 감소시킴으로써 이 과잉 생성 문제를 해결할 수 있으며, 감소 요소는 $10^{-2}$에서 $10^{-5}$이다.
• 양자역학적 통일된 SUSY에서 글루아노 질량이 $350-500$ GeV이고 경량 카린오($100-160$ GeV)일 경우, 글루아노 쌍 생성의 단면적은 $\sigma \sim 10^5$ fb이다.
• 다중 뮤온과 제트 최종 상태는 $\tilde{g} \to b\bar{b}\widetilde{Z}_1$ 및 $\tilde{g} \to t\bar{b}\widetilde{W}_1$ 붕괴로 인해 초기 LHC 데이터에서 두드러진 신호로 나타날 것으로 예상된다.
• 재열 온도 $T_R \lesssim 10^9$ GeV 조건을 만족해야만, 양자역학적 통일된 SUSY에서 중력이론 DM이 타당해지며 Big Bang 핵합성을 방해하지 않는다.
• 우주론적 관측과 비열적 렙토제네시스 메커니즘(예: 비열적 렙토제네시스)을 만족하기 위해 $f_a \gtrsim 10^{12}$ GeV 및 $m_{16} \gtrsim 10$ TeV 조건을 만족하는 혼합된 아키온/아키노 DM 시나리오는 일관성이 있다.