[论文解读] Multi-scalar signature of self-interacting dark matter in the NMSSM and beyond

Jinmian Li, Junle Pei+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 81被引用 3

一句话总结

该论文提出了一个改进的自相互作用暗物质（SIDM）散射截面分析模型，适用于一般NMSSM框架，纳入了Born级修正效应，并对希格斯ino衰变产生的多标量喷注进行了蒙特卡罗模拟。研究识别出若干基准点——包括NMSSM内与外的模型——其特征为轻标量媒介子和末态标量粒子的高多重性，最多可产生20个φ粒子，从而形成LHC上独特的信号，如轻子喷注或SUEP模式。

ABSTRACT

This work studies the self-interacting dark matter (SIDM) scenario in the general NMSSM and beyond, where the dark matter is a Majorana fermion and the force mediator is a scalar boson. An improved analytical expression for the dark matter (DM) self-interacting cross section which takes into account the Born level effects is proposed. Due to the large couplings and light mediator in SIDM scenario, the DM/mediator will go through multiple branchings if they are produced with high energy. Based on the Monte Carlo simulation of the showers in the DM sector, we obtain the multiplicities and the spectra of the DM/mediator from the Higgsino production and decay at the LHC for our benchmark points.

研究动机与目标

• 开发一种包含Born级修正效应的暗物质自相互作用截面更精确的解析估算方法。
• 在一般NMSSM中识别满足小尺度结构、遗迹密度与直接探测约束的可行基准点。
• 利用蒙特卡罗方法模拟暗物质与标量媒介子在暗物质 sector 中的多步分支喷注过程。
• 探索具有轻标量媒介子的自相互作用暗物质在LHC上的信号特征，特别是高末态多重性情形下的表现。
• 通过提出超越NMSSM的模型扩展，缓解简单SIDM模型中大爆炸核合成（BBN）限制与直接探测约束之间的矛盾。

提出的方法

• 提出一种改进的非相对论性DM自相互作用截面解析表达式，纳入Yukawa势的Born级修正。
• 利用含Yukawa势的Schrödinger方程计算相移与散射振幅。
• 在NMSSM参数空间中执行扫描，识别满足DM遗迹密度与直接探测限制的可行区域。
• 基于Sudakov形式因子构建马尔可夫过程，模拟DM与标量媒介子的多步分支喷注过程。
• 对LHC上希格斯ino对产生与衰变进行蒙特卡罗模拟，追踪φ与χ的末态多重性及动量谱。
• 分析典型信号如轻子喷注与非簇射能量模式（SUEP）在高标量多重性基准点下的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何更精确地通过解析方法估算自相互作用暗物质的自散射截面，包括Born级效应？
• RQ2 在一般NMSSM中，哪些基准点满足小尺度结构问题、正确的遗迹密度与直接探测约束？
• RQ3 多步分支过程（如φ →φφ 和 χ →φχ）如何影响高能LHC过程中暗物质与媒介子的末态多重性与能谱？
• RQ4 对于这些多标量末态，主要的LHC信号（如轻子喷注或SUEP）是什么？其行为如何依赖于媒介子质量与耦合强度？
• RQ5 如何通过超越NMSSM的模型扩展，缓解简单SIDM模型中BBN约束与直接探测限制之间的矛盾？

主要发现

• 改进的解析截面公式与数值结果高度一致，参数扫描点上的相对差异约为10%。
• NMSSM中的基准点(i)由于主导的φ →φφ衰变，可产生多达~20个末态φ粒子，Higgsino衰变为单态标量与单linino的分支比约为10−3。
• 基准点(ii)具有更高的产生截面（8.95 fb），同样表现出高φ多重性，但由于低pT轻子难以被标准喷注选择标准识别，信号特征向SUEP模式转变。
• 在κ = 2.5的NMSSM之外的模型中，χ →φχ衰变过程变得显著，每个事例可产生约3–4个高概率的φ粒子。
• 计算了末态标量与暗物质的pT谱，其特征明显依赖于媒介子质量与耦合强度，对LHC搜寻策略具有重要启示。
• 现有轻子喷注与SUEP搜寻对所研究的基准点并不理想，表明LHC亟需开发新的专用搜寻策略。