[논문 리뷰] Production and constraints for a massive dark photon at electron-positron colliders

Jiang, Jun, Li, Chun-Yuan외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 향후 전자-양전자 충돌기에서 질량이 큰 어둠의 보스론(A′)의 생성 및 탐지에 대해 연구하며, 은폐된 A′ 붕괴를 동반하는 과정 e⁺e⁻ → q̄qA′에 초점을 맞춘다. 두 제트 최종 상태의 운동량 분포를 이용하여, √s = 91.2 GeV에서 운행하는 CEPC가 20 GeV < mA′ < 60 GeV 범위의 A′를 1년 이내에 3σ의 정밀도로 발견할 수 있음을 보여주며, 통합 루미노시티가 0.473 ab⁻¹ 이상일 경우에 해당한다.

ABSTRACT

Dark sector may couple to the Standard Model via one or more mediator particles. We discuss two types of mediators: the dark photon $A^{\prime}$ and the dark scalar mediator $\phi$. The total cross-sections and various differential distributions of the processes $e^{+} e^{-} ightarrow q \bar{q} A^{\prime}$ and $e^{+} e^{-} ightarrow q \bar{q} \phi$ ($q=u,~d,~c,~s$ and $b$ quarks) are discussed. We focus on the study of the invisible $A^{\prime}$ due to the cleaner background at future $e^{+} e^{-}$ colliders. It is found that the kinematic distributions of the two-jet system could be used to identify (or exclude) the dark photon and the dark scalar mediator, as well as to distinguish between them. We further study the possibility of a search for dark photons at a future CEPC experiment with $\sqrt{s}=$ 91.2 GeV and 240 GeV. With CEPC running at $\sqrt{s}=$ 91.2 GeV, it would be possible to perform a decisive measurement of the dark photon (20 GeV $< m_{A^{\prime}} <$ 60 GeV) in less than one operating year. The lower limits of the integrated luminosity for the significance $S/\sqrt{B}=$ 2$\sigma$, 3$\sigma$ and 5$\sigma$ are presented.

연구 동기 및 목표

• 미래 충돌기에서 전자-양전자 충돌을 통한 질량이 큰 어둠의 보스론(A′)과 어둠의 스칼라 매개체(φ)의 생성을 조사하는 것.
• 두 제트 최종 상태(q̄q)의 운동량 분포를 분석하여 A′ 신호와 φ 신호를 구별하는 것.
• √s = 91.2 GeV 및 240 GeV에서 CEPC 실험에서 은폐된 어둠의 보스론의 발견 잠재력을 평가하는 것.
• A′를 2σ, 3σ, 5σ의 정밀도로 탐지하기 위해 필요한 최소 통합 루미노시티를 결정하는 것.
• 특히 Z⁰/γ 교환을 포함한 배경 과정이 신호 감도에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 표준모형 광자와의 운동학적 혼합을 통해 어둠의 보스론을 모델링하며, 상호작용 라그랑지안에 ε(운동학적 혼합 계수), 쿼크 전하 cq, 어둠의 물질 결합 상수 gχ를 포함한다.
• 표준모형 쿼크와의 힉스 포털 결합을 통해 어둠의 스칼라 매개체 φ를 모델링하며, 상호작용 항 −εs q̄qφ와 단순화된 결합 εs = ε을 사용한다.
• √s = 91.2, 240, 500, 1000 GeV에서 e⁺e⁻ → q̄qA′ 및 e⁺e⁻ → q̄qφ 반응의 총 및 미분 단면적을 양자전자역학/양자 chromodynamics의 섭동 이론과 파arton 수준의 행렬 원소를 이용해 계산한다.
• 실제 실험 조건을 시뮬레이션하기 위해 운동학적 절단과 검출기 스메어링을 적용하며, 두 제트 시스템의 진동 질량 분포(MRA′)에 중점을 둔다.
• e⁺e⁻ → q̄qZ⁰/γ와 같은 배경 과정을 시뮬레이션하며, ν̄ν 최종 상태를 포함한 새로운 진동 구조를 고려하여 배경 기여도를 추정한다.
• 통합 루미노시티에 따른 신호의 정밀도 S/√B를 계산하여, 다양한 mA′ 값에 대해 발견 가능 범위를 결정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 e⁺e⁻ → q̄qA′ 및 e⁺e⁻ → q̄qφ 과정에서의 두 제트 최종 상태의 운동량 분포를 이용해 어둠의 보스론과 어둠의 스칼라 매개체를 구별할 수 있는가?
• RQ2 CEPC에서 mA′ = 20–60 GeV 범위의 어둠의 보스론을 3σ 정밀도로 발견하기 위해 필요한 최소 통합 루미노시티는 얼마인가?
• RQ3 √s = 91.2 GeV 및 √s = 240 GeV에서 통합 루미노시티에 따른 신호 정밀도 S/√B는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 더 높은 루미노시티에도 불구하고 √s = 240 GeV에서 신호 정밀도가 √s = 91.2 GeV보다 낮은 이유는 무엇이며, 배경 증가가 이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 CEPC 실험에서 √s = 91.2 GeV에서 어둠의 보스론을 1년 이내에 결정적인 측정이 가능한가?

주요 결과

• √s = 91.2 GeV에서 CEPC 실험은 연간 루미노시티 4 ab⁻¹ 조건 하에 mA′ = 20–50 GeV 범위의 어둠의 보스론을 1년 이내에 3σ 정밀도로 발견할 수 있다.
• 3σ 발견을 위한 최소 통합 루미노시티는 mA′ = 40 GeV일 경우 0.473 ab⁻¹에서 시작하여 mA′ = 60 GeV일 경우 6.67 ab⁻¹까지 증가하며, L = 2 ab⁻¹일 때 각각 mA′ = 20, 30, 40, 50 GeV에 대해 S/√B 값이 3.82, 6.05, 6.17, 4.29로 나타난다.
• √s = 240 GeV에서 단면적 감소와 Z⁰/γ 교환 도형에 의한 배경 기여 증가로 인해 신호 정밀도가 크게 떨어지며, 20 ab⁻¹일 때조차도 S/√B < 0.07로 나타난다.
• √s = 240 GeV에서의 배경 기여는 √s = 91.2 GeV보다 상당히 높은데, 이는 신호 과정에 존재하지 않는 ν̄ν 쌍을 포함한 새로운 파인만 도형 구조가 존재하기 때문이다.
• √s = 240 GeV에서 mA′ = 20–60 GeV 범위의 A′ 발견은 CEPC의 한 개 충돌점에서 1년 이내에 수행하기에는 요구되는 루미노시티가 0.5 ab⁻¹를 초과하므로 실현 가능하지 않다.
• 두 제트 시스템(MRA′)의 운동량 분포는 A′ 및 φ 신호를 효과적으로 구별할 수 있으며, 이는 두 매개체의 식별 또는 배제를 가능하게 한다.