[논문 리뷰] Top partners and scalar dark matter -- a non-minimal reappraisal

Alan S. Cornell, Aldo Deandrea외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 33인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 단순 모델에서 S(암흑 물질)와 T(매개자)만을 포함하는 최소한의 모델을 넘어서 Z2-짝성인 T′(Z2-짝성인 토프 파artner)를 추가한 비최소 복합 힉스 프레임워크에서 상위-친화성 스칼라 어둠직물질을 재평가한다. T′의 포함은 콜라이더 서명과 천체물리적 제약 조건을 크게 변화시키며, 특히 T′ 쌍 생성 확률가 증가하고 어둠직물질의 잔류 밀도 및 직접 탐지 확률이 최소 모델과 비교해 수정됨을 보여준다.

ABSTRACT

A large set of models beyond the Standard Model of particle physics suggest that the top quark plays a special role in fundamental interactions. At the same time some of these models predict that a particle responsible for dark matter is present in the physical spectrum of the theory, and in particular cases dark matter may be specially linked to the top sector. Such a new physics configuration occurs, for instance, in composite frameworks that additionally feature vector-like quarks as mediators of the interactions of the dark matter with the Standard Model. We investigate the interplay of top-philic dark matter and the presence of several vector-like top partners. Such a non-minimal setup with several vector-like fermions is typical of composite scenarios, and we make use of an effective model to study to which extent such non-minimality modifies the collider and cosmological phenomenology of the minimal model, the latter only including one vector-like mediator of the dark matter interactions with the Standard Model.

연구 동기 및 목표

• Z2-짝성인 토프 파artner(T′)를 상위-친화성 어둠직물질 모델에 포함시켰을 때의 현상학적 영향을 조사하는 것.
• 단순화된 최소 모델(S와 T만 포함)을 넘어서 부분 복합성 특성을 지닌 현실적인 복합 힉스 시나리오를 포함한 모델을 확장하는 것.
• T′의 존재가 콜라이더 서명과 잔류 밀도, 직접 탐지 등 천체물리적 제약 조건에 어떻게 영향을 미치는지 평가하는 것.
• 효과 라그랑지안 기법을 활용해 토프 파artner 탐색을 위한 모델 독립적 프레임워크를 제공하는 것.
• 이전에 간과되었던 Z2-짝성 레조넌스를 포함함으로써 복합 힉스 모델과 단순화된 어둠직물질 모델 간의 격차를 메우는 것.

제안 방법

• 스칼라 어둠직물질(S), Z2-홀드형 벡터-형상 토프 파artner(T), Z2-짝성인 토프 파artner(T′)를 포함한 효과 라그랑지안을 구성하며, 모두 SM의 토프 쿼크와 결합한다.
• 어둠직물질의 안정성을 보장하기 위해 Z2 대칭을 도입하며, S와 T는 홀드형, T′는 짝성이다.
• 벡터-형상 쿼크의 허용 가능한 모든 결합을 포함하기 위해 [13, 14] 기반의 모델 독립적 접근법을 사용한다.
• FeynRules와 MadGraph를 활용해 신호 시뮬레이션 및 LHC 탐색 재해석을 위한 콜라이더 현상학을 수행한다.
• micrOMEGAs를 사용해 잔류 밀도와 직접 탐지 확률를 계산하며, 고리 보정 및 부분 복합성 효과를 통합한다.
• T′의 영향을 분리하기 위해 최소 모델(S와 T만 포함)과 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Z2-짝성인 토프 파artner(T′)를 포함함으로써 상위-친화성 어둠직물질 모델의 콜라이더 현상학은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 T′은 스칼라 어둠직물질의 잔류 밀도와 직접 탐지율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 T′ 쌍 생성 및 붕괴 모드는 벡터-형상 쿼크 탐색 전략에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 T′의 존재는 최소 단순화 모델의 안정성과 현상학에 얼마나 깊이 영향을 미치는가?
• RQ5 현존하는 또는 향후 LHC 탐색에서 T′ 레조넌스를 탐지할 수 있으며, 기존 제약 조건의 해석에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• T′의 포함은 LHC에서 벡터-형상 쿼크의 쌍 생성 확률를 증가시켜 전용 탐색 채널에서 T′의 탐지 가능 범위를 넓힌다.
• T′에 의한 붕괴 및 T를 통한 붕괴 기여로 인해 어둠직물질의 잔류 밀도에 중대한 영향을 미친다.
• T′를 통한 힉스 포털 및 힉스 교환으로 인해 스칼라 어둠직물질의 직접 탐지율이 증가하여 XENON1T 및 향후 실험에 대한 민감도가 향상된다.
• T′는 토프 쿼크와 함께 모노제트 및 미량 에너지 서명을 유도할 수 있으며, 최소 모델을 넘어서는 독특한 콜라이더 신호를 제공한다.
• 모델 독립적 프레임워크를 통해 기존 LHC 탐색 재해석이 가능하며, T′의 결합 상수가 조정된다면 현재 제약 조건을 피할 수 있음을 보여준다.
• T′가 포함될 경우 천체물리적 및 콜라이더 제약 조건이 더욱 엄격해지며, 최소 모델이 현상학적 탐색 가능 범위를 과소평가하고 있음을 시사한다.