[논문 리뷰] Portal Matter and Dark Sector Phenomenology at Colliders

Thomas G. Rizzo|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 04.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 표준모형(SM) 및 어둠의 세부 영역의 양자수를 지닌 가상의 무거운 상태인 포털 물질(PM) 입자를 조사한다. 이러한 PM 상태들은 어둠의 보자론과 초위상 보자론 간의 운동 에너지 혼합을 가능하게 한다. 연구는 PM 상태가 $e^+e^-$ 충돌기에서는 직접적으로 탐지하기 어려울 수 있으나, LHC에서 고리에 의한 과정과 고리 수준의 붕괴를 통해 탐지 가능하다는 것을 보여준다. 특히 $h_{\text{SM}} \to ZVh_d$ 붕괴의 분해율이 유리한 매개변수 영역에서 1%에 이를 수 있다.

ABSTRACT

If dark matter (DM) interacts with the Standard Model (SM) via the kinetic mixing (KM) portal, it necessitates the existence of massive, likely $\gsim 1$ TeV, enabler portal matter (PM) particles that carry both dark and SM quantum numbers which will appear in vacuum polarization-like loop graphs. Such heavy states are only directly accessible at high energy colliders and apparently lie at mass scales beyond the direct kinematic reach of the ILC, CEPC and FCC-ee. A likely possibility is that these new particles are part of the 'next step' toward a UV-complete scenario describing both the SM and dark sector physics. A simple and straightforward example of such a scenario involving a non-abelian dark sector gauge group is employed in this work to demonstrate some of the range expected from this new physics. Here we present a broad survey of existing analyses designed to explore the nature of such PM states in a array of collider contexts, particularly at the LHC, and point out some of the future directions where additional work is obviously required in the hunt for new signatures as well as in model building directions.

연구 동기 및 목표

• 어둠의 물질의 운동 에너지 혼합 모델에서 포털 물질(PM) 입자의 현상학적 함의를 조사하는 것.
• 특히 직접 쌍생산을 초월한 LHC에서의 PM 상태에 대한 타당한 collider 서명을 규명하는 것.
• 표준모형(SM)과 어둠의 세부 영역의 양자수를 지닌 PM 필드가 간접 상호작용을 매개하고 어둠의 세부 영역 모델의 현상학을 풍부하게 하는 방식을 탐색하는 것.
• 특히 비아벨 어둠의 게이지 군을 가진 UV 완전한 시나리오에서 고리에 의한 과정인 $h_{\text{SM}} \to ZVh_d$ 및 $h_{\text{SM}} \to Zh_dV$를 통해 PM 상태를 발견할 잠재력을 평가하는 것.
• 현재 collider 분석의 격차를 부각하고 14 TeV LHC에서의 PM 매개 서명에 대한 보다 세부적인 시뮬레이션을 촉구하는 것.

제안 방법

• 표준모형 초위상 $U(1)_Y$와 어둠의 $U(1)_D$ 게이지 보자론 간의 한계에서 일어나는 운동 에너지 혼합(KM)을 생성하는 PM 필드의 역할을 분석한다. 이는 진공 분극 도형을 통해 이루어진다.
• 고리 적분 표현식을 사용하여 KM 강도 $\epsilon$를 유도한다: $\epsilon = c_w \frac{g_D g_Y}{24\pi^2} \sum_i \eta_i \frac{Y_i}{2} N_{c_i} Q_{D_i} \ln\frac{m_i^2}{\mu^2}$, 여기서 $\eta_i = 1$은 페르미온, $1/2$는 스칼라일 때이다.
• 비아벨 어둠의 게이지 군 $SU(2)_D$와 어둠의 힉스 세부 영역을 포함하는 UV 완전한 모델을 고려하여, 질량이 있는 어둠의 보자론과 무거운 PM 상태를 도출한다.
• 가상의 $Z^*$, $A^*$ 또는 $H^*$ 교환을 포함한, $h_{\text{SM}} \to ZVh_d$ 및 $h_{\text{SM}} \to Zh_dV$와 같은 수준의 붕괴 채널을 평가한다.
• 분해율 계산을 수행하여 $h_{\text{SM}} \to ZVh_d$의 경우 경량 $H$ 보자론($m_H \lesssim 1$ GeV)에서 $B \sim 0.1-1\%$의 값을 보이며, 삼중 상호작용 계수 $\tilde{\lambda}$와 간섭 효과에 민감함을 밝힌다.
• 표준모형 배경과 모델 신호를 분리하기 위해 $h_{\text{SM}}$ 정지 프레임에서 재구성된 $Z$ 보자론 에너지에 대한 운동학적 컷을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형(SM)과 어둠의 세부 영역의 양자수를 지닌 포털 물질(PM) 입자의 주요 collider 서명은 무엇인가?
• RQ2 PM 상태는 한계에서 어떻게 어둠의 보자론과 표준모형 초위상 보자론 간의 운동 에너지 혼합을 가능하게 하는가?
• RQ3 LHC는 $h_{\text{SM}} \to ZVh_d$와 같은 고리에 의한 힉스 붕괴를 통해 PM을 탐지할 수 있는가?
• RQ4 삼중 상호작용 계수 $\tilde{\lambda}$와 질량 분리 등의 모델 매개변수가 PM 매개 붕괴의 분해율에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 $e^+e^-$ 충돌기인 ILC, FCC-ee, CEPC가 PM을 탐지하는 데에는 어떤 한계가 있으며, 간접 신호는 이를 어떻게 보완할 수 있는가?

주요 결과

• 운동 에너지 혼합이 발생하기 위해 포털 물질(PM) 필드가 필요하며, 관측된 작은 운동 에너지 혼합 매개변수 $\epsilon$의 크기로부터 PM의 존재가 암시된다.
• UV 완전한 모델에서 운동 에너지 혼합 강도 $\epsilon$는 유한하고 계산 가능하며, 합 $\sum_i \eta_i \frac{Y_i}{2} N_{c_i} Q_{D_i} = 0$일 경우 일반적으로 $10^{-4} - 10^{-3}$의 범위를 가진다.
• PM 상태는 대부분 질량이 크며 ($\gtrsim 1$ TeV) 따라서 ILC, CEPC, FCC-ee와 같은 $\sqrt{s} \sim 240-380$ GeV에서 작동하는 $e^+e^-$ 충돌기에서는 직접적으로 탐지하기 어려울 것이다.
• LHC는 고다수의 최종 상태를 포함한 $h_{\text{SM}} \to ZVh_d$를 통해 PM을 직접 탐지할 수 있는 가장 유망한 collider이다. 유리한 매개변수 영역에서 분해율이 최대 1%에 이를 수 있다.
• $h_{\text{SM}} \to ZVh_d$ 과정은 $\alpha_{\text{em}}/m_Z^2$ 또는 고리 수준의 $\gamma \to V$ 전이에 의해 이중으로 억제될 수 있지만, $\tilde{\lambda}$가 크고 간섭이 강건할 경우 관측 가능하다.
• $h_{\text{SM}}$ 정지 프레임에서 재구성된 $Z$ 보자론 에너지 분포에 대한 운동학적 컷은 분해율이 $\sim 0.1-1\%$일 경우 표준모형 배경과 모델 신호를 분리하는 데 도움이 된다.