[论文解读] Dark matter searches at the LHC

T. M. Hong|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用 3

一句话总结

本文总结了大型强子对撞机（LHC）利用简化模型和单对象分析进行暗物质搜寻的研究，重点分析 $pp \to \chi\overline{\chi} + X$ 过程，其中 $X$ 为喷注、光子或希格斯玻色子。研究表明，LHC 在 $m_{\rm{med}}$-$m_{\rm{DM}}$ 参数空间中的排除范围可补充直接探测实验，覆盖低质量暗物质区域，关键结果来自单喷注、单光子、单希格斯及二喷注搜寻，包括通过部分事件重建和 $E^\textrm{miss}_\textrm{T}$ 触发技术提升的灵敏度。

ABSTRACT

We present a summary of the current status of searches for dark matter at the LHC from the ATLAS and CMS experiments. For various assumptions in the simplified parameter space, the LHC exclusions is complementary to direct detection results. Mono-object analyses in search of dark matter and various analyses searching for dark matter mediators are presented.

研究动机与目标

• 总结当前利用简化模型和单对象末态的LHC暗物质搜寻现状。
• 展示LHC搜寻与直接探测实验在探测暗物质参数空间方面的互补性。
• 介绍近期实验进展，包括部分事件重建和基于 $E^\textrm{miss}_\textrm{T}$ 的触发技术，这些技术扩展了对低质量暗物质和媒介粒子的灵敏度。
• 在简化模型假设下，将零结果解释为 $m_{\rm{DM}}$-$m_{\rm{med}}$ 和 $m_{\rm{DM}}$-$\sigma_{\rm{DM}-p}^{\rm{sd}}$ 空间中的排除极限。
• 强调希格斯扇区在隐形希格斯衰变中的作用，以及向量玻色子融合过程对 $\mathcal{B}_{\rm{inv}}$ 的敏感性。

提出的方法

• 采用简化模型框架，通过 $s$-通道 $s$-通道 $\chi\overline{\chi}A$ 和 $q\overline{q}A$ 顶点参数化暗物质的产生与相互作用。
• 应用有效顶点范式以实现对单对象末态的模型无关解释，其中 $X$ 包括喷注、光子、弱玻色子或希格斯玻色子。
• 使用基于 $E^\textrm{miss}_\textrm{T}$ 的触发和离线选择，识别因未探测到的暗物质对而产生的缺失横向动量事件。
• 采用部分事件重建技术，保存低二喷注不变质量的事件，从而实现对传统2 TeV阈值以下区域的灵敏度。
• 应用关系式 $\sigma_{\rm{DM}-p}}^{\rm{sd}} \sim \left(g_q \cdot g_{\rm{DM}} \cdot \frac{m_{\rm{DM-p}}}{m_{\rm{med}}^2}\right)^2$，将LHC的排除结果转化为直接探测截面空间。
• 综合多个通道（单喷注、单光子、单希格斯、二喷注及希格斯玻色子隐形衰变）的结果，推导联合排除极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC的单对象暗物质搜寻在 $m_{\rm{DM}}$-$m_{\rm{med}}$ 参数空间中如何与直接探测实验形成互补？
• RQ2 哪些实验技术使得对低于传统2 TeV二喷注阈值的低质量暗物质和媒介粒子具有灵敏度？
• RQ3 基于 $E^\textrm{miss}_\textrm{T}$ 的触发和部分事件重建如何提升单对象与二喷注搜寻的探测范围？
• RQ4 希格斯玻色子衰变为隐形末态的灵敏度如何？与直接探测极限相比有何差异？
• RQ5 耦合常数假设（$g_q$, $g_{\rm{DM}}$）如何影响简化模型框架下排除轮廓的解释？

主要发现

• 单喷注搜寻中，信号与背景比随 $E^\textrm{miss}_\textrm{T}$ 增加而上升，在 $800\,\textrm{GeV}$ 时达到 $\mathcal{O}(10^{-1})$，使高质质量媒介粒子的探测成为可能。
• 离线 $E^\textrm{miss}_\textrm{T}$ 选择阈值为 $200\,\textrm{GeV}$，高于在线触发的 $150\,\textrm{GeV}$，反映出对背景抑制的需求。
• 部分事件重建使ATLAS和CMS能够将二喷注搜寻的灵敏度扩展至低于 $2\,\textrm{TeV}$ 的阈值，从而覆盖更低的 $m_{\rm{med}}$ 和 $m_{\rm{DM}}$ 区域。
• 二喷注搜寻排除了媒介子衰变为轻夸克的 $m_{\rm{DM}}$-$m_{\rm{med}}$ 参数空间区域，排除范围延伸至 $m_{\rm{med}} \sim 1\,\textrm{TeV}$。
• 在向量玻色子融合过程中对希格斯扇区的搜寻，给出了 $\mathcal{B}_{\rm{inv}}$ 在90%置信水平下的上限为20%，其灵敏度覆盖 $m_{\rm{DM}} < m_H/2 \approx 75\,\textrm{GeV}$ 的区域。
• LHC在 $\sigma_{\rm{DM}-p}}^{\rm{sd}}$ 空间中的排除范围为 $10^{-44}$ 至 $10^{-46}\,\textrm{cm}^2$，覆盖了与直接探测互补的区域，尤其在低 $m_{\rm{DM}}$ 区域。