[论文解读] Extra Quarks Decaying to Dark Matter Beyond the Narrow Width Approximation

Hugo Prager, Stefano Moretti+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用 3

一句话总结

本文研究了在大型强子对撞机（LHC）上，有限宽度对顶夸克伙伴（XQ）衰变至暗物质（DM）的影响，表明大宽度会显著改变信号截面和实验约束，超出窄宽度近似（NWA）的范围。研究证明，包含非本征态拓扑结构和宽度效应可提高灵敏度，尤其在轻量DM和与轻夸克耦合的情况下，有助于实现更优的DM自旋区分和更稳健的排除极限。

ABSTRACT

We explore the effects induced by a finite width in processes of pair production of a heavy top-quark partner and its subsequent decay into a bosonic Dark Matter (DM) candidate -- either scalar or vector -- and a SM up-type quark at the Large Hadron Collider (LHC). We discuss the configurations of masses, widths and couplings where this phenomenology can be important in a simple model with just one such objects. Finally, we emphasise the correct definition of signal and background to be adopted as well as stress the importance of new dedicated experimental searches.

研究动机与目标

• 评估窄宽度近似（NWA）在解释LHC上额外夸克衰变至暗物质的搜索中的有效性和局限性。
• 识别NWA失效的参数区域——特别是XQ宽度较大的区域——此时必须采用完整信号计算以实现准确解释。
• 量化规范不变拓扑结构（包括单个XQ产生）对信号截面和排除界限的影响。
• 通过强调有限宽度和自旋依赖效应的重要性，为未来实验搜索提供指导。
• 实现对现有LHC数据在XQ–DM现象学中的更灵敏、更依赖模型的重新解释，尤其针对轻量DM和轻夸克耦合。

提出的方法

• 在部分子层次上执行完整信号截面计算，包括所有规范不变拓扑结构（如单个XQ产生），超越NWA。
• 使用MadGraph5和FeynRules实现一个简化模型，其中包含一个与标量或矢量DM通过Z2奇性相互作用的矢量型顶夸克伙伴（T）。
• 扫描三个自由参数：XQ质量（M_T）、DM质量（M_DM）和XQ宽度（Γ_T），其中M_T最高达2500 GeV，Γ_T/M_T范围为0%至40%。
• 使用CTEQ6L1部分子分布函数（PDFs）模拟事件，Pythia 8进行部分子辐射和强子化，Delphes 3模拟探测器效应。
• 利用CheckMATE 2重新分析现有的ATLAS和CMS 13 TeV搜索（如ATLAS-1604.07773、ATLAS-1605.03814），比较完整信号（σ_S）与NWA截面（σ_X）。
• 分析比值（σ_S − σ_X）/σ_X以量化与NWA的偏离，并在不同宽度比下，投影出（M_T, M_DM）平面上的排除界限。

实验结果

研究问题

• RQ1 额外夸克的有限宽度如何影响LHC上XQ–DM末态的信号截面？
• RQ2 在何种质量与宽度范围内，窄宽度近似无法准确描述真实信号截面？
• RQ3 额外的规范不变拓扑结构（如单个XQ产生）如何改变LHC排除界限的解释？
• RQ4 在大宽度区域，能否区分暗物质候选的自旋（标量与矢量）？其依赖关系如何受XQ耦合影响？
• RQ5 当XQ具有大宽度时，现有LHC搜索在多大程度上低估了排除界限？如何进行校正？

主要发现

• 在XQ宽度较大的区域（Γ_T/M_T ≈ 40%），比值（σ_S − σ_X）/σ_X超过100%，表明NWA显著低估了真实信号截面。
• 在大宽度区域，XQ衰变至DM的排除界限明显强于NWA情形，当考虑宽度效应时，XQ质量的排除极限可超过2 TeV。
• 对于XQ与轻夸克（u, c）的耦合，在大宽度区域下，标量与矢量DM的区分成为可能，而NWA下则无法实现。
• 排除界限在（M_T, M_DM）平面上的形状随宽度发生剧烈变化：在质量简并区域（M_T ≈ M_DM + m_q）附近，即使在高质质量下也被排除。
• 截面效应在塑造排除界限方面占据主导地位，意味着宽度引起的信号增强是导致更强排除界限的主要原因。
• NWA给出的排除界限比完整计算更宽松，尤其在XQ具有大宽度时，表明现有重新解释可能遗漏了参数空间中的重要区域。