[論文レビュー] Search for Double Charged Particles as Direct Test for Dark Atom Constituents

O.V. Bulekov, Maxim Khlopov+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、不安定な二重電荷を帯びた粒子（X^{--}）がOヘリウム暗黒原子に束縛されている場合、宇宙論的暗黒物質を説明しつつ、異常同位体の過剰生成に関する制約を回避できると提唱している。ACレプトンやウォークインテクニカラーなどのモデルで予測されるようなこのような粒子は、LHCで直接探索可能であり、現在の制限は680 GeVに達し、Run 2のデータで最大1.3 TeVまで到達すると予想されており、複合暗黒物質のシナリオに対する重要なテストを提供する。

ABSTRACT

The nonbaryonic dark matter of the Universe is assumed to consist of new stable particles. Stable particle candidates for cosmological dark matter are usually considered as neutral and weakly interacting. However stable charged leptons and quarks can also exist hidden in elusive dark atoms and can play a role of dark matter. Such possibility is strongly restricted by the constraints on anomalous isotopes of light elements that form positively charged heavy species with ordinary electrons. This problem might be avoided, if stable particles with charge -2 exist and there are no stable particles with charges +1 and -1. These conditions cannot be realized in supersymmetric models, but can be satisfied in several alternative scenarios, which are discussed in this paper. The excessive -2 charged particles are bound with primordial helium in O-helium atoms, maintaining specific nuclear-interacting form of the dark matter. O-helium dark matter can provide solution for the puzzles of dark matter searches. The successful development of composite dark matter scenarios appeals to experimental search for doubly charged constituents of dark atoms. Estimates of production cross section of such particles at LHC are presented and discussed. Signatures of double charged particles in the ATLAS experiment are outlined.

研究の動機と目的

• Oヘリウム原子における安定な二重電荷粒子（X^{--}）が複合Oヘリウム原子の構成要素としての暗黒物質としての妥当性を検討すること。
• 特に軽い元素における異常同位体の過剰生成に関する制約を考慮した、電荷を帯びた暗黒物質の宇宙論的制約を扱うこと。
• Oヘリウム暗黒物質モデルが、DAMA、XENON100、LUXなどの直接的暗黒物質探索実験における乖離を解消できることを提唱すること。
• LHCにおけるX^{--}の探索を通じて、複合暗黒物質モデルに対する直接的な実験的テストを提供すること。
• ATLASおよびCMSのデータに基づき、LHC Run 2における二重電荷粒子の期待される質量感度を推定すること。

提案手法

• X^{--}と原始的ヘリウム4の間の中性結合状態としてOヘリウム暗黒物質をモデル化し、X^{--}がヘリウム原子核によってスクリーニングされることで、地上の検出器における核反応が抑制されることを示す。
• 宇宙論的制約を分析し、+1または-1の電荷を帯びた粒子とは異なり、電荷-2のX^{--}のみが異常ヘリウムの過剰生成を避けることを示す。
• 標準的ビッグバン核合成（BBN）フレームワークを用いて、X^{--}が^4Heに捕獲され、安定なOHe原子を形成できることを示す。
• ACレプトン、テクニレプトン、4番目・5番目の世代クォーククラスタなどの理論的モデルを用いて、LHCにおけるX^{--}の生成断面積を推定する。
• ATLASおよびCMS実験における二重電荷粒子の検出可能なシグネチャ、特に高多重度のトラックおよびイオン化エネルギー損失を提示する。
• LHC Run 2データ（√s = 13 TeV、予想統合された放射能120 fb⁻¹）に基づき、信号効率の仮定を置いた上で、質量限界を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 安定な二重電荷粒子（X^{--}）が、異常同位体に関する宇宙論的制約に反しない形で暗黒物質の構成要素として存在可能か？
• RQ2 Oヘリウム暗黒物質モデルは、DAMAの年齢周期信号とXENON100およびLUXの否定的結果をどのように説明できるか？
• RQ3 ATLASおよびCMS実験におけるLHCで観測されるX^{--}粒子の期待されるコライダーのシグネチャは何か？
• RQ4 LHCのRun 2データ（2015–2018年）に基づき、X^{--}粒子に設定できる質量限界は何か？
• RQ5 ATLASとCMSのRun 2統計を統合することで、個別の実験を上回る二重電荷粒子への感度が向上するか？

主な発見

• ATLASおよびCMSの現在の実験的制限は、7および8 TeVのデータに基づき、95%信頼水準で680 GeV未満の二重電荷粒子を除外している。
• LHCの完全なRun 2データ（13 TeV、1実験あたり約120 fb⁻¹）に基づく予想される二重電荷粒子の下限質量は、1.2 TeV/実験に達すると予想される。
• ATLASとCMSがRun 2の統計を統合すれば、二重電荷粒子の下限質量は最大1.3 TeVに達すると予想される。
• Oヘリウム暗黒物質モデルは、DAMAの年齢周期信号、冷媒検出器における信号の不在、およびINTEGRALの陽電子消失線過剰を一貫した形で説明できる。
• X^{--}粒子が基本粒子（例：ACレプトン）であるか、または複合粒子（例：重クォーククラスタ）であるかに関わらず、他のExotic粒子とは異なる特徴的なコライダーのシグネチャを予測する。
• LHCにおけるX^{--}の探索は、複合暗黒物質シナリオにおける電荷を帯びた構成粒子の存在を直接的かつ重要なテストとして特定している。