[论文解读] Physics performance for Dark Matter searches at $\sqrt{s}=$ 3 TeV at CLIC using mono-photons and polarised beams

J.J. Blaising, P. Roloff+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 6被引用 6

一句话总结

本文評估了在 √s = 3 TeV 下，利用極化電子束探測單光子末態中暗物質的 Compact Linear Collider (CLIC) 對弱相互作用大質量粒子 (WIMPs) 的敏感度。透過利用左旋與右旋電子束極化來抑制標準模型背景，並採用卡方擬合方法分析光子能量分布，CLIC 對 1 TeV 的 WIMP 可實現 1% 的質量解析度，並對強耦合情形下的簡化暗物質模型實現最高達 9 TeV 的排除界限，從而實現對媒介子與 WIMP 質量的精確區分。

ABSTRACT

The potential for detecting DM at the Compact Linear Collider (CLIC) is investigated at \mbox{$\sqrt{s}=$ 3 TeV}. The sensitivity of the search is estimated by computing the 95\% confidence level upper limit cross section as a function of the dark matter mass. Left-handed (right-handed) polarised \Pem beams increase (decrease) respectively the Standard Model backgrounds and are essential to characterize the WIMPs properties and control the systematic errors. Using right-handed polarised \Pem beams is decreasing significantly the 95\% confidence level cross section. Using the ratio of the energy distributions for left-handed and right-handed polarised \Pem beams, systematic errors cancel out. Computing the 95\% confidence level upper limit cross section using the ratio requires a model assumption to compute the expected number of signal events. Exclusion limits for dark matter are derived using dark matter Simplified Models for two values of the e-e-mediator vertex coupling, a mediator width of 10 GeV and for a fixed value of the mediator-DM-DM coupling. For a mediator mass of 3.5 TeV, the measurement of the differential distribution of the significance as a function of the photon energy for the process \mbox{\Pem \Pep $ o$ X X \PGg} allows the discrimination between different dark matter mediators and the measurement of the WIMP mass to nearly half the centre-of-mass energy. For a \mbox{1 TeV} WIMP, the mass is determined with a 1\% accuracy.

研究动机与目标

• 評估 CLIC 在 √s = 3 TeV 下探測弱相互作用大質量粒子 (WIMPs) 作為暗物質候選者的物理潛力。
• 研究電子束極化如何降低標準模型背景並提升對暗物質信號的敏感度。
• 發展一種方法，利用微分顯著性分佈來區分不同類型的暗物質媒介子 (向量、軸向向量)。
• 透過對光子能量依賴的顯著性分佈進行卡方擬合，實現高精度的 WIMP 質量測定。
• 推導不同媒介子耦合與質量下簡化暗物質模型中的排除界限。

提出的方法

• 使用 WHIZARD 2 在 √s = 3 TeV 下模擬 e⁻e⁺ → XXγ 过程，採用完整的振幅計算，包含最多三顆光子，以精確描述光子動力學。
• 使用 CLIC 條件模擬 (GuineaPig) 建立束流能量展寬模型，並透過 circe2 接口與 WHIZARD 整合，以考慮亮度譜效應。
• 實施合併程序，排除 ISR 光子與振幅計算光子重疊的事件，確保光子探測動力學的真實性。
• 計算微分顯著性分佈 dZ/dEγ 作為光子能量的函數，以提取信號敏感度與背景抑制效果。
• 對偽資料與 dZ/dEγ 模板分佈進行卡方擬合，以識別最佳擬合的媒介子類型與 WIMP 質量。
• 使用左旋與右旋極化束的背景效率 (Rb) 和信號加背景效率 (Rb+s) 的比值，以消除系統性不確定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 √s = 3 TeV 下，CLIC 使用極化電子束探測單光子末態中暗物質的敏感度為何？
• RQ2 電子束極化（左旋或右旋）如何影響標準模型背景的抑制與 WIMP 質量測量的精確度？
• RQ3 微分顯著性分佈 dZ/dEγ 是否可用於區分簡化暗物質模型中向量與軸向向量媒介子假設？
• RQ4 透過對 dZ/dEγ 分佈進行卡方擬合，WIMP 質量的測定精度可達何種水準？
• RQ5 在不同媒介子耦合與 WIMP 質量下，簡化暗物質模型中的排除界限為何？

主要发现

• 使用右旋極化電子束可顯著降低交叉截面的 95% 置信水準上限，進而提升對暗物質信號的敏感度。
• 左旋與右旋極化束的效率比值可消除系統性不確定性，從而實現信號與背景模型之間的穩健比較。
• 對於 1 TeV 的 WIMP 與 3.5 TeV 的媒介子質量，透過對 dZ/dEγ 分佈進行卡方擬合，可實現 1% 的 WIMP 質量測定精度。
• 向量媒介子擬合的最小 χ² 值為 15.6，最佳擬合質量為 1019⁺⁷₋₇ GeV；軸向向量媒介子的最小 χ² 值為 9.0，最佳擬合質量為 1012⁺⁸₋₈ GeV。
• 對於媒介子-暗物質耦合 geY = 1，排除界限可延伸至 9 TeV；而對於 geY = 0.1，其探測範圍為 4 TeV。
• 當結合歸一化方法時，該方法成功區分了向量與軸向向量媒介子假設，儘管兩者的 χ² 值相近，仍可排除向量-向量假設。