[论文解读] Production and constraints for a massive dark photon at electron-positron colliders

Jiang, Jun, Li, Chun-Yuan+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文研究了未来电子-positron对撞机上大质量暗光子（A′）的产生与探测，重点分析了过程 e⁺e⁻ → q̄qA′ 及其不可见衰变。利用二喷注末态的运动学分布，本文表明在 √s = 91.2 GeV 运行的 CEPC 可在一年内发现 mA′ = 20–60 GeV 的 A′，实现 3σ 显著性，所需积分亮度低至 0.473 ab⁻¹。

ABSTRACT

Dark sector may couple to the Standard Model via one or more mediator particles. We discuss two types of mediators: the dark photon $A^{\prime}$ and the dark scalar mediator $\phi$. The total cross-sections and various differential distributions of the processes $e^{+} e^{-} ightarrow q \bar{q} A^{\prime}$ and $e^{+} e^{-} ightarrow q \bar{q} \phi$ ($q=u,~d,~c,~s$ and $b$ quarks) are discussed. We focus on the study of the invisible $A^{\prime}$ due to the cleaner background at future $e^{+} e^{-}$ colliders. It is found that the kinematic distributions of the two-jet system could be used to identify (or exclude) the dark photon and the dark scalar mediator, as well as to distinguish between them. We further study the possibility of a search for dark photons at a future CEPC experiment with $\sqrt{s}=$ 91.2 GeV and 240 GeV. With CEPC running at $\sqrt{s}=$ 91.2 GeV, it would be possible to perform a decisive measurement of the dark photon (20 GeV $< m_{A^{\prime}} <$ 60 GeV) in less than one operating year. The lower limits of the integrated luminosity for the significance $S/\sqrt{B}=$ 2$\sigma$, 3$\sigma$ and 5$\sigma$ are presented.

研究动机与目标

• 研究未来对撞机中大质量暗光子（A′）和暗标量媒介子（φ）在 e⁺e⁻ 碰撞中的产生。
• 分析二喷注末态（q̄q）的运动学分布，以区分 A′ 和 φ 信号。
• 评估在 √s = 91.2 GeV 和 240 GeV 条件下，CEPC 实验对不可见暗光子的发现潜力。
• 确定探测 A′ 实现 2σ、3σ 和 5σ 显著性的最小积分亮度。
• 评估背景过程（特别是涉及 Z⁰/γ 交换的过程）对信号灵敏度的影响。

提出的方法

• 通过与标准模型光子的动能混合建模暗光子，其相互作用拉格朗日量包含 ε（动能混合参数）、夸克电荷 cq 和暗物质耦合 gχ。
• 通过与 SM 夸克的希格斯门道耦合建模暗标量媒介子 φ，其相互作用项为 −εs q̄qφ，简化耦合 εs = ε。
• 使用微扰 QED/QCD 和部分子层次矩阵元，在 √s = 91.2、240、500 和 1000 GeV 下计算 e⁺e⁻ → q̄qA′ 和 e⁺e⁻ → q̄qφ 的总截面和微分截面。
• 应用运动学截断和探测器展宽，以模拟真实实验条件，重点关注二喷注系统（MRA′）的不变质量分布。
• 模拟背景过程如 e⁺e⁻ → q̄qZ⁰/γ，包括包含 ν̄ν 末态的新拓扑结构，以估算背景贡献。
• 计算信号显著性 S/√B 随积分亮度的变化，以确定不同 mA′ 值下的发现能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 e⁺e⁻ → q̄qA′ 和 e⁺e⁻ → q̄qφ 过程中，二喷注末态的运动学分布是否可用于区分暗光子与暗标量媒介子？
• RQ2 在 CEPC 上，为实现 3σ 显著性，探测 mA′ = 20–60 GeV 的暗光子所需的最小积分亮度是多少？
• RQ3 在 √s = 91.2 GeV 和 √s = 240 GeV 条件下，信号显著性 S/√B 如何随积分亮度变化？
• RQ4 尽管亮度更高，为何在 √s = 240 GeV 时信号显著性低于 √s = 91.2 GeV？背景增长如何影响这一现象？
• RQ5 CEPC 在 √s = 91.2 GeV 条件下能否在一年内完成对暗光子的决定性测量？

主要发现

• 在 √s = 91.2 GeV 条件下，若年亮度为 4 ab⁻¹，CEPC 实验可在一年内对 mA′ = 20–50 GeV 的暗光子实现 3σ 显著性。
• 实现 3σ 发现所需的最小积分亮度范围为 0.473 ab⁻¹（mA′ = 40 GeV）至 6.67 ab⁻¹（mA′ = 60 GeV）；在 L = 2 ab⁻¹ 时，mA′ = 20、30、40 和 50 GeV 对应的 S/√B 分别为 3.82、6.05、6.17 和 4.29。
• 在 √s = 240 GeV 条件下，由于截面减小和 Z⁰/γ 交换图背景贡献增加，信号显著性显著下降，即使在 20 ab⁻¹ 时 S/√B 仍低于 0.07。
• 在 √s = 240 GeV 时，背景贡献明显高于 √s = 91.2 GeV，原因是出现了新的费曼图拓扑结构（涉及 ν̄ν 对），而该结构在信号过程中不存在。
• 在 CEPC 的 √s = 240 GeV 条件下，无法在一年内实现 mA′ = 20–60 GeV 暗光子的探测，因为所需亮度超过单个相互作用点的 0.5 ab⁻¹。
• 二喷注系统（MRA′）的运动学分布能有效区分 A′ 和 φ 信号，从而实现对两类媒介子的识别或排除。