[论文解读] Kaluza-Klein Dark Matter: Direct Detection vis-a-vis LHC (IDM 2008 proceeding)

S. Arrenberg, L. Baudis+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文研究了通用额外维度（UED）模型中的Kaluza-Klein暗物质，表明直接探测实验与大型强子对撞机（LHC）在探测最轻Kaluza-Klein伙伴（LKP）候选者参数空间方面具有高度互补性。研究证明，结合对撞机约束、直接探测灵敏度与宇宙学剩余密度限制，几乎可以覆盖全部相关参数空间——尤其是5D UED模型中的$\gamma_1$ LKP——凸显了共湮灭过程与质量分裂在决定可探测性中的关键作用。

ABSTRACT

We explore the phenomenology of Kaluza-Klein (KK) dark matter in very general models with universal extra dimensions (UEDs), emphasizing the complementarity between high-energy colliders and dark matter direct detection experiments. In models with relatively small mass splittings between the dark matter candidate and the rest of the (colored) spectrum, the collider sensitivity is diminished, but direct detection rates are enhanced. UEDs provide a natural framework for such mass degeneracies. We consider both 5-dimensional and 6-dimensional non-minimal UED models, and discuss the detection prospects for various KK dark matter candidates: the KK photon γ_1 (5D) the KK Z-boson Z_1 (5D) and the spinless KK photon γ_H (6D). We combine collider limits such as electroweak precision data and expected LHC reach, with cosmological constraints from WMAP and the sensitivity of current or planned direct detection experiments. Allowing for general mass splittings, we show that neither colliders, nor direct detection experiments by themselves can explore all of the relevant KK dark matter parameter space. Nevertheless, they probe different parameter space regions and the combination of the two types of constraints can be quite powerful. For example, in the case of γ_1 in 5D UEDs the relevant parameter space will be almost completely covered by the combined LHC and direct detection sensitivities expected in the near future.

研究动机与目标

• 研究一般UED模型中Kaluza-Klein暗物质的唯象学特性，这些模型具有通用额外维度。
• 评估高能对撞机探测（LHC）与直接探测实验在探测Kaluza-Klein暗物质候选者参数空间方面的互补性。
• 研究LKP与更重的KK态之间质量分裂对直接探测截面与对撞机信号的影响。
• 评估共湮灭过程在$\gamma_1$、$Z_1$与$\gamma_H$等LKP候选者剩余密度计算中的作用。
• 确定LHC、直接探测实验与宇宙学约束联合探测对UED暗物质完整参数空间的约束能力。

提出的方法

• 建立5D与6D UED情景，包含LKP与其他KK态（包括夸克、规范玻色子与希格斯玻色子）之间的通用质量分裂。
• 利用包含所有相关KK粒子共湮灭贡献的玻尔兹曼方程，计算有效剩余密度。
• 通过涉及KK夸克与希格斯玻色子的树图交换图，计算自旋无关的LKP-核子散射截面。
• 应用电弱精确测量数据、WMAP 2σ剩余密度限制，以及当前与未来直接探测实验（CDMS、XENON10、吨级探测器）的约束。
• 利用100 fb⁻¹亮度下的$4\ell + \cancel{E}_T$通道预测LHC的探测能力，以确定对大质量分裂的敏感性。
• 在$\Delta$与$m_{LKP}$平面及$m_h$与$m_{LKP}$平面上绘制参数空间，比较不同探测手段的排除界限。

实验结果

研究问题

• RQ1 LKP与更重KK态之间的质量分裂如何影响UED模型中直接探测截面与对撞机信号？
• RQ2 LHC与直接探测实验在单独与联合探测Kaluza-Klein暗物质参数空间方面，其约束能力达到何种程度？
• RQ3 共湮灭过程对LKP剩余密度有何影响，这又如何影响宇宙学约束？
• RQ4 希格斯玻色子质量变化如何影响直接探测灵敏度，且在允许的参数空间中，希格斯交换贡献是否具有重要意义？
• RQ5 LHC、直接探测与宇宙学约束的联合手段是否能够完全覆盖$\gamma_1$、$Z_1$与$\gamma_H$ LKP候选者的可行参数空间？

主要发现

• 对于5D UED模型中的$\gamma_1$ LKP，LHC与直接探测灵敏度的结合预计可覆盖几乎全部可行参数空间。
• 直接探测实验对小质量分裂（$\Delta \lesssim 50\%$）最为敏感，当前实验已排除小$\Delta$值，而未来吨级探测器将覆盖剩余参数空间的大部分区域。
• LHC对大质量分裂更为敏感，100 fb⁻¹亮度预计可覆盖$\gamma_1$在$\Delta$与$m_{LKP}$平面上的黄色阴影区域。
• 共湮灭过程显著降低了$\gamma_1$与$Z_1$的剩余密度预测值，其效应非单调，且依赖于具体质量谱结构。
• 希格斯交换对直接探测截面有贡献，但作用次要，因其影响主要局限于已被排除的参数空间区域。
• 来自WMAP的宇宙学约束将最小UED模型中$\gamma_1$的LKP质量限制在约500 GeV以下，若LKP仅贡献部分总暗物质，则约束更严格。