[论文解读] Dark Matter Stabilization Symmetries and Long-Lived Particles at the Large Hadron Collider

Devin G. E. Walker|ArXiv.org|Jul 20, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 9

一句话总结

本文研究大型强子对撞机（LHC）如何通过两个长寿命粒子加大缺失横向能量（E_T/）的信号，区分由非宇称对称性（如Z₃、Z₂×Z₂、全局SU(3)）稳定的暗物质模型与传统的Z₂宇称稳定模型。结果表明，由于宇称选择规则，此类信号在Z₂模型中被抑制，但在非宇称模型中可行，统计显著性达到S/√B ≈ 34.3（ATLAS）和S/B ≈ 4.1（CMS），对应10 fb⁻¹亮度下300 GeV长寿命粒子的探测结果。

ABSTRACT

Many popular models of new physics beyond the Standard Model use a parity to stabilize weakly interacting, dark matter candidates. We examine the potential for the CERN Large Hadron Collider to distinguish models with parity stabilized dark matter from models in which the dark matter is stabilized by other symmetries. In this letter, we focus on signatures involving long-lived particles and large amounts of missing transverse energy. To illustrate these signatures, we consider three models from the literature which are representative of a more general class of models with non-traditional stabilization symmetries. The most optimistic scenario can observe the proposed signature with a minimum of 10 inverse fb of integrated luminosity at design center of mass energy. It will probably take considerable longer to validate the stabilizing symmetry is not a simple parity. In all, we emphasize that the underlying symmetry that stabilizes weakly interacting dark matter has tremendous implications for the LHC and our understanding of the nature of dark matter.

研究动机与目标

• 研究LHC是否能够通过长寿命粒子信号区分由非宇称对称性稳定的暗物质模型与由Z₂宇称稳定的模型。
• 识别在Z₂模型中受抑制但在非宇称模型中可行的独特对撞机信号——具体为两个长寿命粒子加大的E_T/。
• 量化代表性非宇称稳定模型中此类信号的统计显著性与信背比。
• 开发快速探测器模拟方法，以估算ATLAS和CMS探测器中长寿命粒子引起的缺失能量沉积。
• 评估观测此类信号并区分其背后稳定对称性的亮度需求。

提出的方法

• 构建三种代表性非宇称稳定模型的有效场论：Pati-Salam规范理论（Z₂×Z₂）、Z₃对称模型，以及包含1 GeV规范玻色子的轻量隐藏 sector 模型。
• 识别涉及长寿命粒子（ψ）和缺失横向能量（E_T/）的关键产生过程，包括通过SM类耦合及希格斯玻色子或规范玻色子交换产生的ψψ̄过程。
• 应用运动学和角度切片（如cosφ < -0.9）以抑制Z → νν̄等主要SM背景。
• 使用快速探测器模拟方法，对长寿命粒子穿过ATLAS和CMS探测器时的能量损失与缺失能量沉积进行建模。
• 基于真实探测器接受度与背景估计，计算10 fb⁻¹积分亮度下的统计显著性（S/√B）与信背比（S/B）。
• 对比不同模型与探测器（ATLAS与CMS）之间的信号产额，重点区分Z₂抑制信号与非宇称增强信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC能否通过长寿命粒子信号区分由非宇称对称性稳定的暗物质模型与由Z₂宇称稳定的模型？
• RQ2 为何在Z₂宇称稳定模型中，包含两个长寿命粒子加大的E_T/的信号受到抑制？
• RQ3 在10 fb⁻¹亮度下，此类信号在非宇称稳定模型中的统计显著性如何？
• RQ4 探测器效应（如量能器中的能量损失）如何影响长寿命粒子的缺失能量信号？
• RQ5 在非宇称稳定模型中，需要多高的亮度才能观测到具有统计显著性的信号？

主要发现

• 由于宇称选择规则要求终态中宇称奇粒子数量为偶数，两个长寿命粒子加大的E_T/信号在Z₂宇称稳定模型中被抑制。
• 在Pati-Salam模型中，若长寿命ψ粒子质量为300 GeV，10 fb⁻¹亮度下，ATLAS的信号显著性达到S/√B = 34.3，S/B = 4.1。
• 在包含1 GeV规范玻色子的轻量隐藏 sector 模型中，300 GeV ψ粒子在10 fb⁻¹亮度下的信号显著性为S/√B = 5.33（ATLAS），S/B = 0.63；在100 fb⁻¹亮度下显著性更高。
• 由于对高E_T/事件具有更好的分辨率与接受度，CMS探测器在相同模型中的显著性高于ATLAS。
• 快速探测器模拟能准确建模长寿命粒子的能量损失，从而可靠估算ATLAS与CMS中的缺失能量。
• 对于300 GeV ψ粒子，该信号最具前景：在100 fb⁻¹亮度下，ATLAS的显著性超过30，CMS的显著性超过70（轻量隐藏 sector 模型）。