[论文解读] Implications of the CDMS result on Dark Matter and LHC physics

M. Kadastik, Kristjan Kannike+2 more|ArXiv.org|Dec 21, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 12

一句话总结

本文研究了在最小非超对称SO(10)大统一理论中，对CDMS II信号事例（解释为轻暗物质(DM)撞击核子反冲）的含义。该模型预测存在一个轻希格斯玻色子，热退相干暗物质密度与观测结果一致，且暗物质-核子自旋无关散射截面较大，导致在大型强子对撞机(LHC)上产生标量暗物质的截面较高，其特征为来自寿命较长的次轻量级暗标量衰变为二轻子或喷注加缺失能量的明显位移顶点信号。

ABSTRACT

The requirements of electroweak symmetry breaking (EWSB) and correct thermal relic density of Dark Matter (DM) predict large spin-independent direct detection cross section in scalar DM models based on underlying SO(10) non-supersymmetric GUT. Interpreting the CDMS signal events as DM recoil on nuclei, we study implications of this assumption on EWSB, Higgs boson mass and direct production of scalar DM at LHC experiments. We show that this interpretation indicates relatively light DM, M_DM ~ O(100) GeV, with large pair production cross section at LHC in correlation with the spin-independent direct DM detection cross section. The next-to-lightest dark scalar S_NL is predicted to be long-lived, providing distinctive experimental signatures of displaced vertex of two leptons or jets plus missing transverse energy.

研究动机与目标

• 探讨CDMS II信号事例——在12–15 keV低反冲能量下观测到的两个事例——对暗物质模型与LHC现象学的影响。
• 检验这些事例是否能通过在最小SO(10)非超对称大统一理论框架下，轻暗物质与核子的自旋无关散射来解释。
• 在假设CDMS事例由暗物质反冲引起的情况下，确定对希格斯玻色子质量、电弱对称性自发破缺以及暗物质热退相干密度的约束。
• 识别独特的LHC信号，特别是来自寿命较长的次轻量级暗标量衰变为二轻子或夸克对并伴随缺失横向动量的位移顶点。

提出的方法

• 该模型基于SO(10)大统一理论构建最小标量暗物质场景，其中暗物质位于16-plet表示中，希格斯位于10-plet表示中，并通过U(1)规范对称性保留一种物质数守恒。
• 通过暗标量相互作用对希格斯有效势的一圈量子修正，诱导辐射电弱对称性自发破缺，从而取代了负μ项的需求。
• 利用规范跑动方程与一圈修正计算热退相干暗物质密度与自旋无关直接探测截面，同时考虑真空中稳定性和微扰性约束。
• 通过部分子分布函数计算在√s = 14 TeV下pp → H⁺H⁻、SₙₗSₙₗ、SₙₗS_Dₘ与S_DₘH±过程的LHC产生截面。
• 基于质量分裂与混合角，计算次轻量级暗标量Sₙₗ的寿命与衰变长度(cτ)，预测其衰变为ℓ⁺ℓ⁻或q̄q模式时产生位移顶点。
• 该模型经受了精确物理数据的检验，要求轻希格斯玻色子以与CDMS II观测结果一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 CDMS II在12–15 keV反冲能量下的信号事例能否在SO(10)大统一理论框架下，被轻标量暗物质与核子散射一致解释？
• RQ2 若CDMS事例由暗物质反冲引起，对电弱对称性自发破缺与希格斯玻色子质量有何影响？
• RQ3 在此解释下，标量暗物质在LHC上的直接产生截面是多少？其与直接探测截面之间有何关联？
• RQ4 该模型中寿命较长的次轻量级暗标量会产生哪些独特的对撞机信号？
• RQ5 为满足正确的热退相干密度与微扰稳定性要求，该模型的参数空间受到何种约束？

主要发现

• CDMS II信号事例倾向于支持质量约为M_DM ~ O(100) GeV的轻暗物质候选者，与观测到的反冲能量及正确热退相干密度要求一致。
• 该模型预测暗物质-核子散射的自旋无关直接探测截面较大，恰好处于CDMS II实验的探测灵敏度水平。
• 为容纳低反冲能量事例，希格斯玻色子质量被预测为较轻（与精确数据一致），这符合辐射电弱对称性自发破缺机制的要求。
• 次轻量级暗标量Sₙₗ寿命较长，其衰变长度(cτ)范围从微米到数米，具体取决于质量分裂与混合角。
• LHC的主要信号为Sₙₗ → S_Dₘℓ⁺ℓ⁻或S_Dₘq̄q衰变产生的位移顶点，伴随缺失横向动量，形成对标准模型背景完全无背景的信号通道。
• 在√s = 14 TeV下，当M_DM < O(300) GeV时，SₙₗSₙₗ、S_DₘS_Dₘ与H⁺H⁻末态的直接产生截面显著，其中H⁺H⁻截面最大，这是由于电荷守恒的保护。