[논문 리뷰] Sensitivity of future collider facilities to WIMP pair production via effective operators and light mediators

N. Zhou, D. Berge외 3명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 효과적 필드 이론 연산자와 무거운 $Z^\prime$ 매개체를 통해 약하게 상호작용하는 대량 입자(WIMP) 쌍 생성에 대한 향후 하드론 충돌기—LHC14, 33 TeV, 100 TeV pp 충돌기의 민감도를 평가한다. LHC 데이터에서 추정된 신호 및 배경 예측을 외삽하여, 더 높은 에너지, 고광도 시설이 WIMP 결합 및 질량 매개변수의 탐색 범위를 크게 향상시킴을 보여주며, 특히 공명 매개체와 고-$\not\!E_\mathrm{T}$ 서명에 대해 유의미한 개선이 있다.

ABSTRACT

We present extrapolations of the current mono-jet searches at the LHC to potential future hadron collider facilities: LHC14, as well as $pp$ colliders with $\sqrt{s}=33$ or 100 TeV. We consider both the effective operator approach as well as one example of a light mediating particle.

연구 동기 및 목표

• 다음 세대 하드론 충돌기가 빛을 잃은 에너지와 제트를 포함한 최종 상태를 통해 WIMP 쌍 생성에 대해 예측된 민감도를 평가하기 위해.
• 효과적 필드 이론(EFT) 모델과 같은 무거운 $Z^\prime$와 같은 명시적 공명 매개체의 민감도를 비교하기 위해.
• 더 높은 중심질량 에너지와 빛의 밀도에서 WIMP 결합 및 질량의 발견 가능성을 향상시키는 정도를 정량화하기 위해.
• LHC 데이터와 시뮬레이션된 신호/배경 효율성 기반으로 WIMP 쌍 생성 단면적과 매개체 결합에 대한 외삽한 한계를 제공하기 위해.
• 어두운 물질 탐색을 위한 최적의 $\not\!E_\mathrm{T}$ 임계값과 시설 구성 요건을 규명함으로써 향후 실험 전략을 안내하기 위해.

제안 방법

• LHC 단일 제트 검색에서 $\sqrt{s} = 7$ TeV의 신호 및 배경 수확량을 파arton 수준의 시뮬레이션을 사용해 더 높은 에너지 시설로 외삽하기 위해.
• 신호 사건($pp \to \chi\bar{\chi} + j$)과 주요 $Z \to \nu\bar{\nu} + j$ 배경를 MadGraph5와 Pythia를 사용해 생성하고, MLM 매칭을 적용하기 위해.
• 빛의 밀도, 중심질량 에너지, $\not\!E_\mathrm{T}$ 임계값의 스케일링 인자를 적용하여 새로운 시설에서의 신호 효율성과 배경 수확량을 추정하기 위해.
• 민감도를 $N_{\text{sig}} = \mathcal{L} \cdot \epsilon_0 \cdot \frac{\epsilon_{\not\!E_\mathrm{T}>X}}{\epsilon_{\not\!E_\mathrm{T}>350}} \cdot \sigma(\sqrt{s})$ 및 배경 스케일링 $N_{\text{bg}} = E_b \cdot N_{\text{bg}}^{\sqrt{s}=7}$를 통해 계산하기 위해.
• 이전 LHC 데이터에서의 EFT 한계와 비교하여 $g_{Z^\prime}$와 $\sigma(pp \to Z^\prime \to \chi\bar{\chi})$에 대한 기대 한계를 평가하기 위해, $1/M_* = g_{Z^\prime}/M_{Z^\prime}$를 사용하기 위해.
• 고-$\not\!E_\mathrm{T}$ 절단을 통해 배경를 억제하는 데 중점을 두고, $\sqrt{s} = 14$, 33, 100 TeV에서 $\mathcal{L} = 300$에서 3000 fb$^{-1}$까지의 성능을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중심질량 에너지와 빛의 밀도가 증가함에 따라 향후 하드론 충돌기의 WIMP 쌍 생성에 대한 민감도는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 효과적 필드 이론 모델과 명시적 공명 매개체 모델(예: $Z^\prime$) 간의 상대적 탐색 범위는 WIMP 상호작용 탐색에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 향후 충돌기 시설에서 발견 가능성을 극대화하기 위해 최적의 $\not\!E_\mathrm{T}$ 임계값은 무엇인가?
• RQ4 Z' 매개체를 통한 생산의 맥락에서, 향후 충돌기는 기존 LHC 한계에 비해 WIMP 결합 및 질량에 대해 얼마나 더 나은 성능을 보일 수 있는가?
• RQ5 예상 민감도는 Fermi-LAT 및 CTA의 간접 어둠의 물질 제약과 비교하여 어떻게 다른가?

주요 결과

• $\sqrt{s} = 100$ TeV와 $\mathcal{L} = 3000$ fb$^{-1}$ 조건에서 $Z^\prime$ 결합에 대한 민감도는 $\sqrt{s} = 14$ TeV와 $\mathcal{L} = 300$ fb$^{-1}$ 조건보다 최대 10배 향상되며, 특히 $m_\chi = 100$ GeV일 경우 유의미하게 향상된다.
• $\sqrt{s} = 100$ TeV와 $\mathcal{L} = 3000$ fb$^{-1}$ 조건에서 $\not\!E_\mathrm{T} > 5500$ GeV 임계값은 $g_{Z^\prime} \sim 10^{-2}$일 경우 약 10 TeV까지의 $Z^\prime$ 질량을 탐지할 수 있도록 한다.
• 100 TeV 시설에서 3000 fb$^{-1}$를 사용할 경우, $m_\chi = 100$ GeV일 때 이전 LHC 한계를 한 계단 이상 초월하는 $g_{Z^\prime}$에 대한 예상 한계를 달성한다.
• 더 높은 에너지에서 $D_5$ 및 $D_8$ 효과적 연산자에 대한 민감도가 크게 향상되며, $\sqrt{s} = 100$ TeV 조건에서 $m_\chi = 1$ TeV일 경우 WIMP 쌍 상호작용 단면적에 대한 예상 한계가 약 $10^{-3}$ pb에 도달한다.
• $Z^\prime$ 매개체를 통한 생산의 경우, $\sqrt{s} = 33$ TeV와 $\mathcal{L} = 3000$ fb$^{-1}$ 조건에서 $g_{Z^\prime} \sim 0.1$일 경우 약 5 TeV까지의 $Z^\prime$ 질량을 탐색할 수 있다.
• 이 연구는 신호 대 배경 비율을 유지하기 위해 $\not\!E_\mathrm{T}$ 임계값이 에너지에 따라 스케일링되어야 하며, 최적의 임계값은 $\sqrt{s} = 33$ TeV에서 약 2750 GeV, $\sqrt{s} = 100$ TeV에서 약 5500 GeV임을 보여준다.