[논문 리뷰] $Z'$-explorer 2.0: reconnoitering the dark matter landscape

Víctor Martín Lozano, Rosa María Sandá Seoane외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

Z′-explorer 2.0은 LHC의 단일 제트 및 가시 최종 상태 검색을, 어두운 물질을 통해 s-채널 매개체로 작용하는 U(1)′ 보손(Z′)을 가진 모델에 대해 재해석할 수 있는 빠르고 사용자 友好的 소프트웨어 도구이다. 누락 에너지 검색을 통합함으로써 전체 매개변수 공간 스캔이 가능하며, ATLAS 139 fb⁻¹ 단일 제트 검색의 첫 공개 재해석을 포함한다. 이는 임의의 페르미온 결합과 일반적인 벡터/축성자 결합을 지원하여, 이벤트 기반 시뮬레이션을 초월해 모델 테스트 속도와 유연성을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

We introduce version 2.0 of $Z'$-explorer, a software tool which provides a simple, fast and user-friendly test of models with an extra $U(1)$ gauge boson ($Z'$) against experimental LHC results. The main novelty of the second version is the inclusion of missing energy searches, as the first version only included final states into SM particles. Hence $Z'$-explorer 2.0 is able to test dark matter models where the $Z'$ acts as an s-channel mediator between the Standard Model and the dark sector, a widespread benchmark employed by the ATLAS and CMS experimental collaborations. To this end, we perform here the first public reinterpretation of the most recent ATLAS mono-jet search with 139 fb$^{-1}$. In addition, the corresponding searches in the visible final states have also been updated. We illustrate the power of our code by re-obtaining public plots, and also showing novel results. In particular, we study the cases where the $Z'$ couples strongly to top quarks (top-philic), where dark matter couples with a mixture of vector and axial-vector couplings, and also perform a scan in the parameter space of a string inspired Stückelberg model. $Z'$-explorer 2.0 is publicly available on GitHub.

연구 동기 및 목표

• LHC 단일 제트 및 가시 최종 상태 검색에 누락 에너지 검색을 통합하여 Z′-매개변수 어두운 물질 모델의 직접 테스트를 가능하게 하기.
• 비용이 많이 드는 몬테카를로 시뮬레이션을 피하면서도 정확성을 유지하는 이벤트 기반 도구가 아닌 빠른 재해석 프레임워크를 제공하기.
• 표준 단순화 모델을 초월해 모든 SM 페르미온에 대한 Z′의 임의의 결합과 어두운 물질에 대한 일반적인 벡터/축성자 결합을 지원하기.
• ATLAS 139 fb⁻¹ 단일 제트 검색의 공개 재해석을 통해 새로운 기능을 검증하고, 발표된 결과와 비교하기.
• 암흑 물질 및 새로운 물리 모델 탐색을 위한 광범위한 커뮤니티 사용을 위해 GitHub에 도구를 공개하기.

제안 방법

• 도구는 MadGraph5_aMC@NLO와 Delphes 3.4.2를 기반으로 사전 계산된 단형 단형 교차단면 격자(2D)를 사용하며, ATLAS 기본 설정에 맞게 검출기 시뮬레이션을 조정한다.
• 모든 채널에서 신호 강도를 계산하기 위해 좁은 너비 근사(NWA)를 적용하며, 입력 기준점에 기반한 보간된 단형 단형 교차단면과 분해비율을 사용한다.
• 유럽 거리 기반으로 2D(MZ′, mχ) 격자에서 가장 가까운 MZ′ 및 mχ 값을 선택하여 사전 계산된 신호 이벤트와 실험적 제한을 검색한다.
• 누락 에너지(χχ) 채널의 신호 강도는 가장 민감한 실험 신호 영역과 비교하여 추정하며, 생산 단형 단형 교차단면과 BR(χχ)의 곱을 이용해 제한을 재가중한다.
• 모든 SM 페르미온 및 어두운 물질에 대해 왼쪽과 오른쪽 수동 결합을 임의로 지원하며, gfV = ½(gfR + gfL) 및 gfA = ½(gfR − gfL)를 통해 벡터 및 축성자 성분을 계산한다.
• 26개 열로 구성된 입력 카드를 수락하며, MZ′, 모든 SM 페르미온(중성미자 제외)에 대한 결합, 부분 폭(Γνν, ΓWW, ΓZh), mχ, Z′–DM 결합, 총 폭 Γxx를 지정하고, 출력으로는 신호 강도와 폭 근사 경고를 보고한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 누적 에너지 검색을 통합함으로써 LHC에서 Z′-매개변수 어두운 물질 모델 테스트의 민감도는 어떻게 향상되는가?
• RQ2 Z′가 SM 페르미온에 임의의 결합을 가지며 어두운 물질에 일반적인 벡터/축성자 결합을 가지는 경우, 단순화 모델에 비해 배제 경계는 얼마나 달라지는가?
• RQ3 Z′-explorer 2.0처럼 빠르고 이벤트 기반 재해석 도구는 몬테카를로 이벤트 생성 없이도 공개된 LHC 결과를 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ4 강한 톰 쿼크에 대한 Z′ 결합이 있는 톰-필릭 모델에서, 톰 쿼크에 의한 기여는 단일 제트 및 비가시 최종 상태 검색의 민감도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 스트링 이론에 기반한 슈테켈베르그 모델에서 일반적인 결합 구조는 (MZ′, mχ) 평면에서의 배제 경계에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Z′-explorer 2.0는 ATLAS 139 fb⁻¹ 단일 제트 검색의 공개 배제 플롯을 고정밀도로 재현하여, 재해석 프레임워크의 정확성을 검증했다.
• 도구는 (MZ′, mχ) 매개변수 공간의 빠른 스캔을 가능하게 하며, 2초 이내로 최대 10³개의 기준점 처리가 가능하여 이벤트 기반 도구에 비해 뚜렷한 속도 우위를 확보했다.
• 강한 Z′-톰 쿼크 결합이 있는 톰-필릭 모델에서는 단일 제트 생성의 주요 기여가 톰 쿼크에서 비롯되며, 복합 쿼크의 기여는 무시할 만큼 작다.
• 일반적인 벡터 및 축성자 결합을 고려함으로써 가시 및 비가시 최종 상태 간의 비선형적 상호작용이 드러나며, 벡터 또는 축성자 전용 기준 모델과 비교해 배제 경계가 변화함을 확인했다.
• Z′의 총 폭이 질량의 5%를 초과하는 경우, 좁은 너비 근사가 실패할 수 있음을 정확히 경고하지만, 계산을 중단하지 않고 계속 진행한다.
• 도구는 모든 SM 페르미온과 어두운 물질에 대한 임의의 결합을 지원하며, 기존 LHC 검색 제약 조건과 공개 데이터와의 호환성을 유지한다.