[论文解读] A Novel LHC Dark Matter Search to Dissect the Galactic Centre Excess

Patrick Tunney, José Miguel No+1 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 13

一句话总结

本文提出了一种新颖的LHC信号，用于检验银河系中心伽马射线过量起源于轻量级暗物质通过赝标量介子衰变且对b夸克耦合增强的假设。该模型预测了一种具有相同电荷顶夸克与缺失横向动量的独特末态，可利用LHC运行2期的数据进行探测，从而为暗物质解释提供直接的实验检验。

ABSTRACT

A compelling explanation of the gamma ray Galactic Center excess is the existence of a relatively light dark matter particle annihilating into Standard Model fermions via a pseudoscalar mediator with enhanced coupling to $b$-quarks. Here we show that those key ingredients naturally lead to a specific and novel signature at the LHC which could be used to test the dark matter origin of the Galactic Center gamma ray excess with LHC Run 2 data.

研究动机与目标

• 研究银河系中心伽马射线过量是否可由轻量级暗物质通过赝标量介子衰变且对b夸克耦合增强来解释。
• 识别该特定暗物质模型产生的独特且可测试的LHC信号。
• 利用LHC运行2期数据探测与银河系中心过量一致的参数空间。

提出的方法

• 建立通过b夸克耦合增强的赝标量介子衰变过程的暗物质湮灭模型，与银河系中心过量一致。
• 计算涉及相同电荷顶夸克与缺失横向动量末态的LHC产生截面。
• 使用有效场论技术描述相互作用顶点，并约束介子耦合强度。
• 模拟信号事件，并利用标准模型背景估计LHC对该信号的灵敏度。
• 应用运动学与拓扑学切割以增强信号显著性，并与主要背景区分。
• 评估LHC运行2期数据在探测能解释银河系中心过量的参数空间方面的覆盖范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系中心伽马射线过量是否可由轻量级暗物质粒子通过赝标量介子衰变且对b夸克耦合增强来解释？
• RQ2 该特定暗物质模型会产生何种独特LHC信号？
• RQ3 在当前实验灵敏度下，该信号是否可在LHC运行2期数据中观测到？
• RQ4 对b夸克的耦合强度与介子质量如何影响LHC信号率与可探测性？
• RQ5 能否利用LHC数据对模型参数施加约束？

主要发现

• 具有赝标量介子且b夸克耦合增强的模型会产生具有相同电荷顶夸克与缺失横向动量的独特末态。
• 该末态源于重标量共振态衰变为顶夸克与暗物质粒子。
• 该信号与标准模型背景足够不同，可在参数空间的特定区域被LHC运行2期数据探测到。
• 该模型在保持与银河系中心过量一致的同时，仍处于当前LHC搜索的探测范围内。
• 所提出的信号为伽马射线过量的暗物质解释提供了直接的实验检验手段。