[논문 리뷰] The leptophilic dark matter with $Z'$ interaction: from indirect searches to future $e^+ e^-$ collider searches

Ning Chen, Jian Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 19.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 어두운 물질(DM)과 전하 렙톤 간의 상호작용을 $Z^{\backprime}$ 보손이 매개하는 렙토파일릭 어두운 물질 모델을 제안한다. 이 모델은 430 GeV의 어두운 물질 후보와 약 ~100의 부스터 인자로 AMS-02의 양전자 과잉을 설명한다. 또한 향후 $e^+e^-$ 충돌기인 CLIC(1.5 TeV)에서 $Z^{\backprime}$ 보손을 비가시성 붕괴($Z^{\backprime} \to \bar{\chi}\chi$) 및 단일 광자 과정을 통해 탐지할 수 있음을 보여주며, 이는 단지 $\mathcal{O}(1)$ pb$^{-1}$의 루미노시티로도 충분하다.

ABSTRACT

We investigate the scenario where the dark matter only interacts with the charged leptons in the standard model via a neutral vector mediator $Z'$. Such a scenario with a 430 GeV dark matter can fit the recent positron fluxes observed by the AMS-02 Collaborations, with the reasonable boost factors. We study the possibility of searching such leptophilic $Z'$ via its lepton final states and invisible decay modes at the future electron-positron colliders, such as the International Linear Collider (ILC) and the Compact Linear Collider (CLIC). We find that for the benchmark models with $Z'$ mass from 1.0 TeV to 1.5 TeV, the searches for the invisible decays of $Z' o \bar χχ$ is easily achieved at the CLIC 1.5 TeV runs via the mono-photon process. However, lighter $Z'$ with mass from 0.5 TeV to 0.8 TeV are challenging to see. The di-lepton plus single photon channel can reveal the $Z'$ mass at the ILC and CLIC with moderate luminosities.

연구 동기 및 목표

• 전하 렙톤 간의 상호작용을 통해 $Z^\prime$ 매개자와 상호작용하는 어두운 물질 후보를 사용하여 AMS-02가 관측한 고에너지 양전자 과잉을 설명하는 것.
• 뮤온 비례자기모멘트 및 LEP-II 탐색 결과로부터의 제약 조건 하에서 이러한 렙토파일릭 $Z^\prime$ 모델의 타당성을 검증하는 것.
• 향후 $e^+e^-$ 충돌기(예: ILC 및 CLIC)에서 $Z^\prime$ 보손과 그 어두운 물질로의 비가시성 붕괴의 발견 가능성을 평가하는 것.
• 고에너지 $e^+e^-$ 충돌기에서 $Z^\prime$를 탐지하기 위한 최적의 충돌기 신호—특히 OSSF 이레프톤 + 광자 및 단일 광자 최종 상태—를 규명하는 것.

제안 방법

• 어두운 물질과 모든 세 세대의 전하 렙톤 간의 $s$-채널 상호작용을 매개하는 $Z^\prime$ 벡터 보손을 포함한 단순화된 렙토파일릭 어두운 물질 모델을 구축한다.
• 단일 광자 및 이레프톤 + 광자 최종 상태에서의 표준모형(SM) 배경을 억제하기 위해 운동학적 절단 조건을 적용한다. 이는 광자 $p_T$ 및 $\eta$ 절단, $E_T$ 금지 조건, 그리고 반동 질량 재구성 포함.
• 반동 질량 $m_{\rm rec}$ 를 사용하여 $Z^\prime$ 질량 재구성 절단을 적용하여 $|m_{\rm rec} - M_{Z^{\prime}}| \leq 50$ GeV 내의 $Z^\prime$ 공명을 식별한다.
• CLIC 및 ILC에서 $e^+e^- \to \gamma + E_T$ 및 $e^+e^- \to \ell^+\ell^- + \gamma$ 반응의 신호 횡단면과 표준모형 배경 기여도를 계산한다.
• 모든 절단 조건을 적용한 후 배경에 대한 신호의 유의도를 비교하여 $5\sigma$ 발견을 위한 필요 통합 루미노시티를 추정한다.
• 각 $Z^\prime$ 질량 벤치마크에 대해 예상 광자 에너지 창을 정의하기 위해 $E_\gamma = (s - M_{Z^{\prime}}^2)/(2\sqrt{s})$ 관계를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 430 GeV의 어두운 물질 후보와 $Z^\prime$ 매개자로만 전하 렙톤과 상호작용하는 렙토파일릭 $Z^\prime$ 모델이 반양전자 과잉을 초과하지 않도록 AMS-02의 양전자 과잉을 설명할 수 있는가?
• RQ2 특히 비가시성 붕괴 및 단일 광자 신호를 통해 $e^+e^-$ 충돌기 환경에서 $Z^\prime$ 보손의 발견 가능성이 어떻게 되는가?
• RQ3 $Z^\prime$ 질량, 특히 0.5–1.5 TeV 범위에서 신호율과 배경 억제는 어떻게 달라지는가?
• RQ4 CLIC에서 단일 광자 최종 상태에서 반동 질량 기법을 사용해 $Z^\prime$ 질량을 재구성할 수 있는가?
• RQ5 ILC 및 CLIC에서 OSSF 이레프톤 + 광자 및 단일 광자 채널에서 $Z^\prime$를 $5\sigma$로 발견하기 위해 필요한 루미노시티 요구 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 전하 렙톤과만 상호작용하는 $Z^\prime$ 매개자와 함께 430 GeV의 어두운 물질 후보는 부스터 인자 $\mathcal{O}(100)$를 사용하여 AMS-02의 양전자 플럭스 데이터를 잘 맞추며, 간접 탐지 제약 조건과도 일치한다.
• 1.0–1.5 TeV 범위의 $M_{Z^{\prime}}$ 에서 CLIC 1.5 TeV에서 단일 광자 과정을 통해 비가시성 붕괴 채널 $Z^{\prime} \to \bar{\chi}\chi$ 를 약 $\mathcal{O}(1)$ pb$^{-1}$ 의 통합 루미노시티로 발견할 수 있다.
• OSSF 이레프톤 + 단일 광자 최종 상태는 ILC 및 CLC에서 중간 정도의 루미노시티 $\mathcal{O}(1)$ pb$^{-1}$ 에서부터 $\mathcal{O}(10)$ fb$^{-1}$ 범위로 $Z^\prime$ 발견이 가능하다.
• 더 가벼운 $Z^\prime$ 보손($M_{Z^{\prime}} \in (0.5, 0.8)$ TeV)의 경우 단일 광자 신호 횡단면이 너무 작아 현재의 루미노시티 기대치로는 발견이 어려울 수 있다.
• $E_T$ 금지 조건, 광자 $p_T$ 및 $\eta$ 요구 조건, 반동 질량 재구성과 같은 운동학적 절단 조건은 표준모형 배경을 크게 감소시키며, 이는 신호의 유의도를 향상시킨다.
• 반동 질량 $m_{\rm rec}$ 는 $Z^\prime$ 질량 재구성에 효과적이며, $\pm 50$ GeV 창을 사용할 경우 CLIC에서 $M_{Z^{\prime}} \in (1.0, 1.5)$ TeV 범위에서 $5\sigma$ 유의도를 달성할 수 있다.