[论文解读] S-Channel Dark Matter Simplified Models and Unitarity

Christoph Englert, Matthew McCullough+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 62被引用 8

一句话总结

本文研究了大型强子对撞机（LHC）上s通道暗物质简化模型的微扰幺正性，表明由于轻夸克质量的抑制，幺正性破坏仅在远超微扰有效性的极大耦合常数下发生。本文提出了一种新颖的‘无费米子耦合标量’简化模型，该模型通过标量中介子与矢量玻色子耦合，展现出稳定的现象学特性，并增强了VBF（矢量玻色子融合）型缺失能量探测的潜力。

ABSTRACT

The ultraviolet structure of $s$-channel mediator dark matter simplified models at hadron colliders is considered. In terms of commonly studied $s$-channel mediator simplified models it is argued that at arbitrarily high energies the perturbative description of dark matter production in high energy scattering at hadron colliders will break down in a number of cases. This is analogous to the well documented breakdown of an EFT description of dark matter collider production. With this in mind, to diagnose whether or not the use of simplified models at the LHC is valid, perturbative unitarity of the scattering amplitude in the processes relevant to LHC dark matter searches is studied. The results are as one would expect: at the LHC and future proton colliders the simplified model descriptions of dark matter production are in general valid. As a result of the general discussion, a simple new class of previously unconsidered `Fermiophobic Scalar' simplified models is proposed, in which a scalar mediator couples to electroweak vector bosons. The Fermiophobic simplified model is well motivated and exhibits interesting collider and direct detection phenomenology.

研究动机与目标

• 通过检查微扰幺正性，评估s通道简化模型在大型强子对撞机（LHC）上描述暗物质产生过程的有效性。
• 识别在高能下由于幺正性破坏而使简化模型失效的条件。
• 提出一类新型简化模型——‘无费米子耦合标量’中介子，其与矢量玻色子耦合，此前在文献中尚未被探讨。
• 评估新无费米子耦合模型的对撞机与直接探测现象学。
• 强调在完整集合中包含简化模型以捕捉完整的紫外完成现象学的重要性。

提出的方法

• 分析与LHC单喷流、单W和单Z信号相关的s通道简化模型中的散射振幅。
• 应用微扰幺正性约束，识别振幅违反幺正性的能量尺度。
• 使用Gounion–Gunion–Kane判据评估矢量和轴矢量中介子模型中的幺正性破坏。
• 引入一种仅与W和Z玻色子耦合的新标量中介子（无费米子耦合），避免与费米子耦合。
• 通过耦合强度约束和宽度条件（Γ < m_S/2）评估该模型的现象学特性。
• 将幺正性约束与微扰理论失效的估计值及费米子质量抑制效应进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于幺正性破坏，s通道暗物质产生过程的微扰描述在何种能量尺度下失效？
• RQ2 费米子质量抑制如何影响轻夸克初态简化模型中幺正性破坏的可能性？
• RQ3 仅与矢量玻色子（无费米子耦合）耦合的标量中介子具有何种现象学意义？
• RQ4 尽管紫外不完备，简化模型方法在LHC暗物质搜索中是否仍可保持有效？
• RQ5 为完整捕捉紫外完备暗物质理论的对撞机现象学，需要哪些新型简化模型类别？

主要发现

• 在LHC上，只要中介子宽度小于其质量的一半，s通道简化模型的微扰幺正性在物理上可行的耦合强度下得以保持。
• 幺正性破坏仅在极大耦合常数下发生，与微扰理论失效一致，而非在实验相关能量下发生。
• 费米子质量抑制显著降低了轻夸克初态过程中幺正性破坏的风险，使简化模型方法具有鲁棒性。
• 新提出的‘无费米子耦合标量’中介子模型仅与W和Z玻色子耦合，避免了与夸克和轻子的直接耦合。
• 该模型表现出稳定的幺正性特性，并为LHC上的VBF型缺失能量探测提供了新机遇。
• 该分析支持在保持耦合微扰且宽度受约束的前提下，继续在LHC暗物质搜索中使用简化模型。