[論文レビュー] Displaced Dark Matter at Colliders

Spencer Chang, Markus A. Luty|ArXiv.org|Jun 29, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、superWIMPおよび非対称なダークマター（ADM）モデルにおける長寿命な次に軽い超対称粒子（NLSP）のずれた頂点が、ダークマターの性質をコライダーで再構成可能であると提唱する。見えない崩壊の位置と時間の測定により、運動的制約からNLSPおよびダークマター（LSP）の質量が特定可能であり、これによりコライダーのデータから宇宙論的ダークマター密度を予測できる。

ABSTRACT

Models in which the dark matter is very weakly coupled to the observable sector may explain the observed dark matter density, either as a "superWIMP" or as "asymmetric dark matter." Both types of models predict displaced vertices at colliders, with a rich variety of possible phenomenology. We classify the cases in which the decays can naturally occur inside particle detectors at the LHC, with particular focus on the nontrivial scenarios where the decaying particle is invisible. Identification of the position and timing of these invisible displaced vertices significantly improves the prospects of reconstructing the new physics in models such as supersymmetry. In many cases, reconstruction of the visible products of the displaced decay can determine the dark matter mass, allowing the dark matter density to be predicted from collider data.

研究の動機と目的

• 非標準的モデルにおけるコライダーで生成されたダークマターとその宇宙論的残存密度を結びつける課題に対処すること。
• superWIMPおよびADMの状況における長寿命NLSPが、LHCで検出可能なずれた頂点を生成する仕組みを調査すること。
• ずれた崩壊頂点からの運動的情報を使って、完全なSUSY質量スペクトルを再構成する手法を開発すること。
• NLSPの可視崩壊生成物からダークマター質量を特定できることを示し、コライダーのデータから観測されたダークマター密度を予測可能にすること。
• 標準的WIMPの凍結出発とは異なるダークマターモデルを探索するための主要なプローブとして、極めてずれた頂点の実験的探索を促すこと。

提案手法

• 特に電荷を帯びているか、運動的制約がある場合に、長寿命NLSPの4元運動量を、頂点位置および飛行時間の測定によって再構成すること。
• NLSP静止系におけるエネルギー運動量保存の適用：$ m_Y = E_{\text{vis}} + \sqrt{m_X^2 + |\vec{p}_{\text{vis}}|^2} $、ここで$ m_X $ は見えない粒子の質量。
• 異なる可視崩壊生成物（例：ヒッグス、Z）を伴う複数のイベントを用いて$ m_Y $ と$ m_X $ を同時に解き、単一イベント測定におけるデゲネラシーを克服すること。
• 見えない崩壊生成物の不変質量$ p_{\text{inv}} = p_Y - p_{\text{vis}} $ の再構成により$ m_X $ を決定し、複数のX粒子に対して端点解析を実施すること。
• 時間測定および頂点測定を活用してNLSPの速度を特定し、$ p_Y $ が直接測定されていなくても、静止系へのブーストを可能にし、質量再構成を実現すること。
• 複数のずれた崩壊イベントからの制約を統合して、プロンプト生成過程を完全に再構成し、プロンプト崩壊再構成に依存せずに質量を抽出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 superWIMPおよびADMモデルにおける長寿命NLSPのずれた頂点は、コライダーで完全なSUSY質量スペクトルを再構成するために利用可能か？
• RQ2 ずれた崩壊における可視生成物の運動論的性質から、ダークマター質量をどの程度まで特定できるか？
• RQ3 非標準的ダークマターモデルにおいて、コライダーで測定された質量と宇宙論的ダークマター密度とのつながりをどのように確立できるか？
• RQ4 プロンプト崩壊再構成に依存せずに、NLSPおよびLSPの両方の質量を特定するために必要な最小のずれた崩壊イベント数はいくつか？
• RQ5 NLSPの4元運動量が不明な場合、時間測定および頂点測定情報が、見えない崩壊質量再構成における運動論的曖昧さを解消できるか？

主な発見

• superWIMPおよびADMモデルにおけるNLSP崩壊のずれた頂点は、崩壊長が数メートル程度のとき、LHC検出器で検出可能であり、直接的な実験的アクセスが可能になる。
• ずれた頂点の位置と時間の測定により、直接観測されていなくてもNLSPの4元運動量を再構成できる。
• 見えない崩壊生成物の不変質量$ p_{\text{inv}} = p_Y - p_{\text{vis}} $ は、LSP（ダークマター）質量$ m_X $ の直接測定を可能にし、分布の端点が$ n \cdot m_X $（$ n $ 個の見えない粒子）を示す。
• ヒッグスやZなど異なる可視崩壊モードを伴う2つ以上のイベントを用いることで、プロンプト崩壊再構成に依存せずにNLSPおよびLSPの質量を同時に解ける。
• この手法により、コライダーのデータのみから宇宙論的ダークマター密度を予測可能となり、ダークマター質量がコライダー観測と宇宙論的観測を結ぶ主要なパrameterであることが明らかになる。
• この技術はダークマターに限らず、重力スティンやニュートリノなどの長寿命で見えない粒子に対しても適用可能であり、ずれた頂点の広範な実験的探索を促進する。