[论文解读] Search for dark matter at the LHC using missing transverse energy

Sarah Malik|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文利用CMS探测器对LHC上7 TeV质子-质子碰撞数据（5 fb⁻¹）中的单喷射和单光子末态结合缺失横向动量进行暗物质搜索。由于未观测到过量事例，该研究设定了迄今为止最严格的90%置信水平（CL）暗物质-核子散射截面限制，将自旋无关相互作用的覆盖范围扩展至3.5 GeV以下，并在自旋依赖相互作用中超越了此前所有约束，适用于1–200 GeV的质量范围。

ABSTRACT

Results are presented for a search for dark matter at the LHC using the signatures of a monojet plus missing transverse energy and a monophoton plus missing transverse energy. The data were collected by the CMS detector at the LHC with pp collisions at a centre-of-mass energy of 7 TeV and an integrated luminosity of 5 inverse femtobarns. In the absence of an excess of events in the data compared to the Standard Model prediction, limits are set on the dark matter-nucleon scattering cross section which can be directly compared with bounds from the direct detection experiments.

研究动机与目标

• 利用单喷射和单光子末态结合缺失横向动量，在LHC质子-质子碰撞中搜索暗物质产生。
• 基于有效场论框架，设定模型无关的暗物质-核子散射截面限制。
• 在低质量区域（特别是自旋无关相互作用下低于3.5 GeV）改进对弱相互作用大质量粒子（WIMPs）的约束。
• 与直接探测实验结果直接比较，扩展暗物质被排除的参数空间。
• 通过Z→μμ+jets和W→μν+jets事例的控制样本验证背景估计技术。

提出的方法

• 利用CMS探测器收集√s = 7 TeV下的5 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 应用事件选择标准，要求高缺失横向动量（单喷射：E_T^miss > 350 GeV；单光子：E_T^miss > 130 GeV）以及高p_T喷射或光子。
• 实施严格的喷射和光子识别、隔离及时间响应要求，以抑制QCD和仪器背景。
• 利用Z→μμ+jets和W→μν+jets事例的控制样本估计主要标准模型背景（Z→νν+jets和W→ℓν+jets）。
• 对探测器效率、接受度和分支比进行修正，将控制样本的产率外推至信号区域。
• 将观测到的截面限制转换为有效接触相互作用尺度Λ的约束，再进一步转化为暗物质-核子散射截面的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于单喷射和单光子末态，自旋无关与自旋依赖相互作用下暗物质-核子散射截面的限制是什么？
• RQ2 CMS结果在低质量暗物质区域与以往直接探测实验和对撞机搜索相比如何？
• RQ3 在单喷射和单光子末态中，观测到的事例数相对于标准模型背景预期超出多少？
• RQ4 单喷射和单光子搜索对低于3.5 GeV的暗物质质量的敏感度如何？
• RQ5 背景抑制技术（特别是控制样本和隔离标准）的有效性如何？

主要发现

• 在单喷射和单光子末态中均未观测到显著超过标准模型背景预测的事例过量。
• 自旋无关相互作用下，暗物质-核子散射截面的90% CL上限已扩展至此前无法探测的3.5 GeV以下区域。
• 对于自旋依赖相互作用，CMS的限制在1–200 GeV暗物质质量范围内超越了所有先前的约束。
• 观测到的有效接触相互作用尺度Λ的限制被转化为对暗物质-核子散射截面的保守约束。
• 通过控制样本验证了背景估计，Z→νν+jets背景估计为900 ± 94起，W+jets为312 ± 35起。
• 单光子分析观测到73起事例，与预期的75.1 ± 9.5起背景产率一致。