[论文解读] Higher-order QCD predictions for dark matter production at the LHC in simplified models with s-channel mediators

Mihailo Backović, M. Krämer+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本论文利用FeynRules/MadGraph5_aMC@NLO框架，对大型强子对撞机（LHC）上s通道媒介子的简化模型中暗物质（DM）产生的下一阶修正（NLO）量子色动力学（QCD）修正进行了研究。结果表明，NLO QCD效应显著改变了总截面和微分分布，尤其是在低媒介子质量情形下，大幅降低了理论不确定性，并揭示了高达~2的K因子；而喷注合并对形状或截面的影响可忽略不计。

ABSTRACT

Weakly interacting dark matter particles can be pair-produced at colliders and detected through signatures featuring missing energy in association with either QCD/EW radiation or heavy quarks. In order to constrain the mass and the couplings to standard model particles, accurate and precise predictions for production cross sections and distributions are of prime importance. In this work, we consider various simplified models with s-channel mediators. We implement such models in the FeynRules/MadGraph5_aMC@NLO framework, which allows to include higher-order QCD corrections in realistic simulations and to study their effect systematically. As a first phenomenological application, we present predictions for dark matter production in association with jets and with a top-quark pair at the LHC, at next-to-leading order accuracy in QCD, including matching/merging to parton showers. Our study shows that higher-order QCD corrections to dark matter production via s-channel mediators have a significant impact not only on total production rates, but also on shapes of distributions. We also show that the inclusion of next-to-leading order effects results in a sizeable reduction of the theoretical uncertainties.

研究动机与目标

• 为LHC上s通道媒介子简化模型中的暗物质产生提供精确的NLO QCD预测。
• 评估高阶QCD修正对暗物质产生中总截面和微分分布的影响。
• 通过比较LO与NLO预测，特别关注缺失横向动量（MET）+喷注和MET + 顶夸克对末态，以减少理论不确定性。
• 验证FeynRules/MadGraph5_aMC@NLO框架中暗物质简化模型的实现，以支持LHC高精度唯象研究。
• 探讨NLO修正在LHC第二阶段运行中对暗物质探测的唯象学影响，包括喷注多重性和形状效应。

提出的方法

• 在FeynRules/MadGraph5_aMC@NLO框架中实现具有s通道自旋-0和自旋-1媒介子的简化暗物质模型，以完成完整的NLO QCD计算。
• 计算暗物质产生与最多两个喷注及顶夸克对产生的NLO截面和微分分布。
• 应用FxFx合并方案，将部分子级NLO样本与部分子簇射结合，确保喷注多重性分布的准确性。
• 使用尺度和PDF不确定性作为理论误差估计的代理，比较LO与NLO结果。
• 与主要标准模型背景进行比较，评估在高pT区域信号与背景的改善情况。
• 研究MET截断在缓解低质量媒介子情形下由软/共线奇点引起的巨大K因子效应中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC上，通过s通道媒介子产生的暗物质，其NLO QCD修正如何影响总截面和微分截面？
• RQ2 在MET + 喷注和MET + t\bar{t}末态背景下，NLO修正在多大程度上减少了简化暗物质模型中的理论不确定性？
• RQ3 在NLO下，喷注合并对MET和第二高pT喷注的pT分布等关键分布的形状和截面有何影响？
• RQ4 在参数空间的哪些区域会出现‘巨大K因子’？如何通过MET截断抑制其效应？
• RQ5 当媒介子质量较轻（≤ O(100) GeV）时，t\bar{t}不变质量分布的形状是否能揭示自旋-0媒介子模型中DM–SM相互作用的手征结构？

主要发现

• 在DM和媒介子质量约为10–100 GeV的场景中，NLO QCD修正导致K因子高达~2，表明与LO预测存在显著偏差。
• 从LO到NLO，尺度和PDF变化引起的理论不确定性显著降低，尤其在低质量媒介子区域。
• 当DM和媒介子质量为O(100) GeV时，NLO效应对第二喷注横向动量和伪快度分布的高pT尾部至关重要，其修正幅度可达一个数量级。
• 在单喷注产生中，低MET与高喷注pT的相空间区域会出现巨大K因子，但通过施加足够大的MET截断可有效缓解。
• 通过FxFx实现的喷注多重性合并对关键分布的形状和整体截面影响可忽略不计，表明对这些可观测量而言，FO NLO计算已足够。
• 当媒介子质量较轻（≤ O(100) GeV）时，t\bar{t}不变质量分布的形状对DM–SM耦合的手征结构敏感，使其成为探测相互作用类型的强大工具。