[논문 리뷰] WIMP Dark Matter at High Energy Muon Colliders $-$A White Paper for Snowmass 2021

Tao Han, Zhen Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 14.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 뮤온 충돌기(10–30 테바르)가 단순 WIMP 암흑물질 후보자들인 페르미온 및 스칼라 이중체, 디랙 삼중체, 메이저라나/스칼라 삼중체와 같은 열적 잔여 질량 목표를 포함된 부재 질량 탐색을 통해 완전히 탐색할 수 있음을 보여준다. 또한 실종 궤적 서명이 낮은 다중체에 대한 탐색 범위를 연장할 수 있음을 보이며, 이중체의 경우 10 테바르, 더 높은 다중체의 경우 14–30 테바르가 필요하다. 이는 뮤온 충돌기를 전자약력 스케일 암흑물질을 시험하는 결론적인 도구로 확립한다.

ABSTRACT

In a previous publication, we showed that a high energy muon collider can make decisive statements about the electroweak (WIMP) Dark Matter (DM), reaching a DM mass which could give the observed thermal relic abundance. In this document, we report new studies of the spin-$0$ minimal WIMP DM at high energy muon colliders, and update our results on the fermionic spin-$1/2$ case. We find that, by combining multiple inclusive missing mass search channels, it is possible to fully cover the thermal targets of fermionic and scalar doublets, and Dirac triplet, with a 10 TeV muon collider. Higher energies, 14 TeV$-$30 TeV, would be able to cover the thermal targets of Majorana and scalar triplet. For direct discovery of the higher EW multiplets with $n\geq5$, one may need to go beyond a 30 TeV muon collider to fully cover their thermal mass expectation.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 뮤온 충돌기가 열적 잔여 밀도를 가지는 WIMP 암흑물질 후보자들을 탐색하는 능력을 평가하는 것.
• 다양한 전자약력 다중체(이중체, 삼중체, 5- 및 7-중체)에 대해 포함된 부재 질량 및 실종 궤적 서명의 탐색 범위를 평가하는 것.
• 다양한 페르미온 및 스칼라 다중체에 걸쳐 열적 WIMP 목표를 완전히 커버하기 위한 필요한 중심질량 에너지와 루미노시티를 결정하는 것.
• WIMP 암흑물질 탐지에 있어 단일 광자, 단일 뮤온, 이중 뮤온 및 실종 궤적 채널의 민감도를 비교하는 것.
• 30 테바르를 초월하는 높은 다중체(n ≥ 5)를 탐색하기 위해 필요한 에너지 임계값과 루미노시티 요구 조건을 특정하는 것.

제안 방법

• 표준모형 게이지 보손과의 연계 생성을 통해 WIMP 생성을 탐지하기 위해 포함된 부재 질량 탐색 채널(예: 단일 광자, 단일 뮤온, 이중 뮤온)을 사용한다.
• 최종 상태 입자가 탐지되지 않을 경우 비가시로 간주함으로써 모델 독립적 신호 재구성 기법을 적용하며, 주로 부재 에너지 및 운동량에 초점을 맞춘다.
• 장수명 WIMP에 대한 실종 궤적 서명을 평가하며, 수명과 횡방향 이격도에 기반해 검출기 반응 및 신호 효율을 모델링한다.
• 신호 단면적과 배경의 현상학적 추정치를 수행하며, 비드 기인 배경(BIB)을 포함하여 탐지 가능성 평가를 수행한다.
• 다양한 WIMP 다중체에 걸쳐 감도와 커버리지 향상을 위해 다수의 탐색 채널을 통합한다.
• 기준 충돌기 파arameter로 √s = 3, 6, 10, 14, 30, 100 테바르 및 루미노시티 1–1000 ab⁻¹를 사용하여 발견 가능 범위를 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 10 테바르 뮤온 충돌기는 페르미온 및 스칼라 이중체, 디랙 삼중체 WIMP 암흑물질 후보자의 열적 잔여 질량 목표를 포함된 부재 질량 탐색을 통해 완전히 커버할 수 있는가?
• RQ2 메이저라나 및 스칼라 삼중체 WIMP 후보자의 열적 목표를 커버하기 위해 필요한 중심질량 에너지는 얼마인가?
• RQ3 실종 궤적 탐색은 단일 제트 및 단일 보손 채널을 초월하여 낮은 다중체(n ≤ 5)에 대해 탐색 범위를 얼마나 연장시킬 수 있는가?
• RQ4 장수명 힉스이노의 신호 효율은 충돌기 에너지와 검출기 설계에 따라 어떻게 변화하는가, 특히 3 테바르와 같은 저에너지에서 어떻게 되는가?
• RQ5 30 테바르 뮤온 충돌기는 5- 및 7-중체 WIMP 다중체의 열 질량 기대치를 완전히 탐색할 수 있는가, 아니면 더 높은 에너지가 필요한가?

주요 결과

• 10 테바르 뮤온 충돌기는 포함된 부재 질량 탐색을 통합함으로써 페르미온 및 스칼라 이중체, 디랙 삼중체의 열적 잔여 질량 목표를 완전히 커버할 수 있다.
• 메이저라나 및 스칼라 삼중체 WIMP 후보자의 열적 목표를 완전히 커버하기 위해서는 14–30 테바르 뮤온 충돌기가 필요하다.
• n ≥ 5의 높은 다중체, 예를 들어 5- 및 7-중체의 경우 30 테바르 뮤온 충돌기가 열 질량 기대치를 완전히 커버하지 못할 수 있으며, 30 테바르를 초월한 에너지가 필요할 수 있다.
• 실종 궤적 서명은 매우 높은 잠재력을 보이며, 운동역학적 임계값 mχ ≈ √s/2에 가까운 탐색 범위를 제공한다. 6 테바르 충돌기에서는 이중체의 열적 목표를 커버할 수 있다.
• 3 테바르에서 힉스이노 생성은 짧은 수명과 낮은 수용률로 인해 매우 낮은 효율(~2.5×10⁻⁴)을 보이며, 1 fb 단면적에서도 신호 이벤트가 한 개 이하에 그친다.
• 비드 기인 배경(BIB)은 약 20개의 이벤트로 추정되며, 저에너지에서는 신호를 압도할 수 있어, 향상된 검출기 설계 또는 더 높은 루미노시티의 필요성을 강조한다.