[论文解读] Wino-like Minimal Dark Matter and future colliders

Marco Cirelli, Filippo Sala+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 131被引用 67

一句话总结

本文提出一种标准模型的最小扩展，其中包含一个类似 Wino 的电弱费米子三重态作为弱相互作用大质量粒子（WIMP）暗物质候选者，其稳定性由一种意外的 B-L 对称性保证。研究显示，未来 100 TeV 质子对撞机可通过消失轨迹信号探测高达 3 TeV 的暗物质质量，而单喷注、单光子及矢量玻色子融合（VBF）通道在理想系统误差条件下可探测至 1.3–1.7 TeV。

ABSTRACT

We extend the Standard Model with an EW fermion triplet, stable thanks to one of the accidental symmetries already present in the theory. On top of being a potential Dark Matter candidate, additional motivations for this new state are the stability of the vacuum, the fact it does not introduce a large fine-tuning in the Higgs mass, and that it helps with gauge coupling unification. We perform an analysis of the reach for such a particle at the high-luminosity LHC, and at a futuristic 100 TeV pp collider. We do so for the monojet, monophoton, vector boson fusion and disappearing tracks channels. At 100 TeV, disappearing tracks will likely probe the mass region of 3 TeV, relevant for thermally produced Dark Matter. The reach of the other channels is found to extend up to ~ 1.3 (1.7) TeV for 3 (30) ab^-1 of integrated luminosity, provided systematics are well under control. This model also constitutes a benchmark of a typical WIMP Dark Matter candidate, and its phenomenology reproduces that of various models of Supersymmetry featuring a pure Wino as the lightest sparticle.

研究动机与目标

• 提出一种标准模型的最小扩展，其中稳定电弱费米子三重态作为 WIMP 暗物质候选者。
• 研究该模型在解决真空稳定性、希格斯质量自然性及规范耦合统一性方面的能力。
• 评估该暗物质候选者在未来的高能对撞机（特别是 100 TeV pp 对撞机）中的发现潜力。
• 为 WIMP 暗物质现象学提供一个基准模型，重现纯 Wino 类型超对称情景的关键特征。
• 将对撞机探测能力与直接探测（如 LZ）和间接探测（伽马射线、反质子）的约束进行比较，识别最敏感的探测通道。

提出的方法

• 引入一个在 SU(2)L 下为双重态、在色规范和超荷下为单态的费米子三重态，其质量劈裂在两圈图水平下约为 165 MeV。
• 通过意外的 B-L 对称性或其离散子群确保稳定性，禁止会诱导衰变的维度 5 算符。
• 构建有效拉格朗日量，通过规范耦合 g 实现三重态与 SM 规范玻色子的相互作用。
• 对四种探测通道（单喷注、单光子、矢量玻色子融合 VBF 和消失轨迹）进行蒙特卡洛模拟与事例级分析。
• 估算在 HL-LHC（14 TeV，3 ab⁻¹）和未来 100 TeV pp 对撞机（3 和 30 ab⁻¹）下的发现探测能力，假设系统误差为 1% 和 5%。
• 将结果与直接探测（如 LZ）和间接探测（伽马射线、反质子）的约束进行比较，高能区引入 Sommerfeld 增强效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 类似 Wino 的费米子三重态是否可在标准模型的最小扩展中作为可行且稳定的 WIMP 暗物质候选者？
• RQ2 未来 100 TeV 对撞机在探测热生成暗物质区域（高达 3 TeV）方面的能力如何？
• RQ3 在消失轨迹、单喷注、单光子和 VBF 四种对撞机探测通道中，哪一种对本模型具有最强灵敏度？
• RQ4 系统误差（1% 与 5%）如何影响单喷注及其他通道的预期发现探测能力？
• RQ5 对撞机约束与现有直接和间接探测实验的限制相比如何？

主要发现

• 在 30 ab⁻¹ 的积分亮度和 1% 系统误差假设下，100 TeV 对撞机在单喷注通道中可探测高达约 1.7 TeV 的暗物质质量。
• 消失轨迹通道最为灵敏，可在理想系统误差条件下探测至 3 TeV，对应于热生成暗物质的典型质量范围。
• 当系统误差增至 5% 时，单喷注探测能力显著下降至约 500 GeV，凸显了背景控制的重要性。
• 单光子和 VBF 通道的探测能力略低于单喷注，其投影极限在 3 ab⁻¹ 时约为 1.3 TeV，30 ab⁻¹ 时约为 1.7 TeV（系统误差为 1%）。
• 该模型是纯 Wino 类型暗物质的基准，可重现超对称模型中轻型超对称粒子（LSP）位于 Wino 通道的关键现象学特征。
• 直接探测实验（如 LZ）可能探测至约 600 GeV 的质量范围，而间接探测在标准假设下会排除部分质量区间（Mχ ≲ 1 TeV 和 1.7–3.5 TeV），留下由对撞机探测填补的空白。