[论文解读] Recommendations of the LHC Dark Matter Working Group: Comparing LHC searches for heavy mediators of dark matter production in visible and invisible decay channels

A. Albert, Mihailo Backović+28 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 38被引用 53

一句话总结

论文将自旋-1暗物质简化模型扩展为包含对轻子耦合，提出基准以比较可见与不可见介质子搜索，并给出解析与数值的遗留密度计算及对干涉效应的评估。

ABSTRACT

Weakly-coupled TeV-scale particles may mediate the interactions between normal matter and dark matter. If so, the LHC would produce dark matter through these mediators, leading to the familiar "mono-X" search signatures, but the mediators would also produce signals without missing momentum via the same vertices involved in their production. This document from the LHC Dark Matter Working Group suggests how to compare searches for these two types of signals in case of vector and axial-vector mediators, based on a workshop that took place on September 19/20, 2016 and subsequent discussions. These suggestions include how to extend the spin-1 mediated simplified models already in widespread use to include lepton couplings. This document also provides analytic calculations of the relic density in the simplified models and reports an issue that arose when ATLAS and CMS first began to use preliminary numerical calculations of the dark matter relic density in these models.

研究动机与目标

• 在 LHC 中推动比较基于 MET 的介质子搜寻与自旋-1 模型中完全可见的介质子衰变的动机。
• 将对称向量和轴矢量介质子引入对轻子耦合，以使二重子共振约束成为可能。
• 提供宽度公式和模型实现，以支持碰撞器与遗留密度研究。
• 提供四个基准耦合情景，展示 di-jet、di-lepton 和 mono-X 通道之间的搜索互补性。
• 讨论遗留密度计算及 t 通道介质子产生对结果的影响。

提出的方法

• 将自旋-1简化模型扩展为具有对轻子耦合的矢量和轴矢量介质子。
• 推导 χχ、qq、ℓℓ、νν 最终态的分裂宽度（Eqs. 2.4–2.7, 2.8–2.11）。
• 给出四个基准耦合情景：V1、V2、A1、A2，给出指定的 g_DM、g_q、g_ℓ 值。
• 评估二 lepton 搜索中的干涉效应并量化其影响（在大约 5% 以下时可忽略）。
• 以解析方法计算 DM 遗留密度（Eqs. 3.1–3.4, 3.5–3.8），并使用 MadDM 2.0.6 与 MicrOMEGAs 进行数值计算，比较结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在带有对轻子耦合的自旋-1 s 通道模型中，可见（di-lepton/di-jet）与不可见（mono-X）介质子搜索之间的比较如何？
• RQ2 将对轻子耦合引入对介质子衰变宽度与搜索灵敏度有何影响？
• RQ3 在这些模型的二重子通道中，信号与 Drell-Yan 背景之间的干涉效应是否显著？
• RQ4 解析与数值的遗留密度计算在标量与自旋-1 介质子之间有何差异，哪些通道占主导？
• RQ5 基准耦合情景是否能够充分说明 MET 与可见衰变搜索之间的互补性？

主要发现

• 纳入对轻子耦合使二重子共振成为可能并拓宽了碰撞器约束。
• 在二重子搜索中的干涉效应较小（≤5%），因此可在极限中被忽略。
• 四个基准情景（V1、V2、A1、A2）展示了在 mono-X、di-jet 与 di-lepton 通道之间的互补灵敏度。
• 当只有单一湮灭通道支配时，解析表达式与 MadDM/MicrOMEGAs 的遗留密度结果吻合良好。
• t 通道湮灭到介质子对对于准确的遗留密度预测很重要，尤其是对轴向量模型。
• 更宽的介质子情景和非共振搜索可能需要在标准 di-jet/di-lepton 共振搜索之外的专门研究。