[论文解读] Collider limits on dark matter

Joachim Kopp|arXiv (Cornell University)|May 17, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 26被引用 5

一句话总结

本文利用 Tevatron 和 LEP 的单喷射和单光子事例，对暗物质施加了模型无关的对撞机约束，表明这些约束对轻量级、自旋依赖型或对轻子亲和的暗物质与直接探测和间接探测结果具有可比性。研究还表明，若暗物质主要通过电子态湮灭，LEP 可以排除质量 ≤10 GeV 的热退耦暗物质。

ABSTRACT

Dark matter pair production at high energy colliders may leave observable signatures in the energy and momentum spectra of the objects recoiling against the dark matter. We discuss signatures of Dark Matter in the jets + missing energy and photon + missing energy channels at the Tevatron and at LEP. Working in a largely model-independent effective theory framework, we can convert the collider bounds into constraints on the dark matter-nucleon scattering cross section and on the dark matter annihilation cross section. Our bounds are highly competitive with those from direct and indirect dark matter searches, especially for light WIMPs and for WIMPs with spin-dependent or leptophilic interactions. For example, we show that LEP rules out light (

研究动机与目标

• 利用 Tevatron 和 LEP 的对撞机数据，推导出对暗物质性质的模型无关约束。
• 将对撞机约束与直接探测和间接探测的暗物质约束进行比较，尤其关注轻量级或自旋依赖型暗物质的情况。
• 评估对撞机搜索对暗物质湮灭截面与核子散射截面的敏感度，特别是在热退耦暗物质的背景下。
• 探讨简化模型中媒介子质量与宽度的影响，超越有效场论框架。
• 评估对撞机搜索与天体物理及直接探测约束之间的互补性，特别是在低暗物质质量区域。

提出的方法

• 采用包含接触相互作用（矢量、标量、轴矢量及 t 通道标量算符）的有效场论框架，对暗物质与标准模型费米子的耦合进行建模。
• 通过 MadAnalysis 和 CompHEP 进行实验截断与探测器模拟，重新分析 CDF（Tevatron）和 DELPHI（LEP）的单喷射与单光子数据。
• 将观测到的抑制尺度 $\Lambda$ 的限制转化为对暗物质-核子散射截面与湮灭截面的约束。
• 将 $\Lambda = M / \sqrt{g_f g_\chi}$ 作为处理方式，以媒介子质量与耦合常数解释约束结果。
• 同时考虑 $s$-通道与 $t$-通道媒介子情形，包括当 $M \sim \sqrt{s}$ 时的共振产生。
• 评估对热退耦暗物质的 $\langle \sigma v_{\rm rel} \rangle$ 敏感度，假设 $\langle v_{\rm rel}^2 \rangle = 0.24$，对应宇宙再结合时期。

实验结果

研究问题

• RQ1 Tevatron 和 LEP 的对撞机搜索如何以模型无关的方式约束暗物质-核子散射截面？
• RQ2 在何种条件下，对撞机对暗物质的约束会超越直接探测与间接探测实验的限制？
• RQ3 在暗物质主要通过 $e^+e^-$ 湮灭时，LEP 数据在多大程度上可以排除质量 ≤10 GeV 的热退耦暗物质？
• RQ4 当暗物质相互作用由轻的、实心媒介子介导，而非有效接触相互作用时，约束条件如何变化？
• RQ5 在简化模型中，媒介子质量与宽度在决定对撞机约束强度方面起到何种作用？

主要发现

• LEP 对暗物质湮灭设定了具有竞争力的限制，若暗物质主要通过 $e^+e^-$ 湮灭，可排除质量 $m_\chi \lesssim 10$ GeV 的热退耦暗物质。
• 对于质量 $m_\chi \lesssim 4$ GeV 或主要为自旋依赖型相互作用的暗物质，Tevatron 单喷射搜索的约束强于直接探测实验。
• 当 $m_\chi \lesssim 10$ GeV 时，LEP 对湮灭截面的限制强于 Fermi-LAT 对银心的观测结果以及 $e^+e^-$ 信号的限制。
• 当媒介子质量 $M$ 与 $\sqrt{s} \sim 200$ GeV 相当时，共振产生增强了对撞机的灵敏度，从而改善了对暗物质-核子散射截面的约束。
• 当 $M \lesssim m_\chi$ 时，由于产生过程的 $s^{-1}$ 依赖性，LEP 对 $\sigma_N$ 的约束变弱，但当 $M \to \chi\bar{\chi}$ 为实心衰变时，约束会变得对媒介子宽度 $\Gamma$ 敏感。
• 在具有轻媒介子的模型中，对撞机约束可超越有效场论的约束，尤其当 $2m_\chi < M$ 时，这是由于共振产生与分支比的依赖性所致。