[论文解读] Search for Double Charged Particles as Direct Test for Dark Atom Constituents

O.V. Bulekov, Maxim Khlopov+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

本文提出，稳定双电荷粒子（X^{--}）在O-氦暗原子中束缚，可解释宇宙学暗物质，同时避免因异常同素过量产生的约束。该文认为，此类粒子——在AC轻子和行走技术色等模型中被预言——可在大型强子对撞机（LHC）上直接搜索，当前限制已达680 GeV，预计在Run 2数据中可探测至1.3 TeV，为复合暗物质场景提供关键检验。

ABSTRACT

The nonbaryonic dark matter of the Universe is assumed to consist of new stable particles. Stable particle candidates for cosmological dark matter are usually considered as neutral and weakly interacting. However stable charged leptons and quarks can also exist hidden in elusive dark atoms and can play a role of dark matter. Such possibility is strongly restricted by the constraints on anomalous isotopes of light elements that form positively charged heavy species with ordinary electrons. This problem might be avoided, if stable particles with charge -2 exist and there are no stable particles with charges +1 and -1. These conditions cannot be realized in supersymmetric models, but can be satisfied in several alternative scenarios, which are discussed in this paper. The excessive -2 charged particles are bound with primordial helium in O-helium atoms, maintaining specific nuclear-interacting form of the dark matter. O-helium dark matter can provide solution for the puzzles of dark matter searches. The successful development of composite dark matter scenarios appeals to experimental search for doubly charged constituents of dark atoms. Estimates of production cross section of such particles at LHC are presented and discussed. Signatures of double charged particles in the ATLAS experiment are outlined.

研究动机与目标

• 探讨稳定双电荷粒子（X^{--}）作为复合O-氦原子中暗物质组分的可行性。
• 解决带电暗物质的宇宙学约束，特别是轻元素中异常同素过量的问题。
• 提出O-氦暗物质模型可解释直接暗物质探测实验（如DAMA、XENON100和LUX）中的差异。
• 通过LHC中对X^{--}的对撞机搜索，为复合暗物质模型提供直接实验检验。
• 基于ATLAS和CMS数据，估算LHC Run 2中双电荷粒子的质量探测灵敏度。

提出的方法

• 将O-氦暗物质建模为X^{--}与原始氦-4的中性束缚态，其中X^{--}被氦原子核屏蔽，从而在地球探测器中抑制核相互作用。
• 分析宇宙学约束，表明仅电荷为-2的X^{--}可避免异常氦的过量产生，而+1或-1电荷的粒子则不能。
• 利用标准大爆炸核合成（BBN）框架，证明X^{--}可被^4He捕获，形成稳定的OHe原子。
• 使用AC轻子、技术轻子以及第四/第五代夸克簇团等理论模型，估算LHC中X^{--}的产生截面。
• 概述ATLAS和CMS实验中双电荷粒子的可探测信号，包括高多重性轨迹和电离能损。
• 基于预期积分亮度（√s = 13 TeV时为120 fb⁻¹）和信号效率假设，预测Run 2数据的质量限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 稳定双电荷粒子（X^{--}）能否作为暗物质组分存在，而不违反异常同素的宇宙学约束？
• RQ2 O-氦暗物质模型如何解释DAMA实验的正向信号，以及XENON100和LUX实验的阴性结果？
• RQ3 X^{--}粒子在LHC的ATLAS和CMS实验中预期的对撞机信号是什么？
• RQ4 基于LHC Run 2数据（2015–2018），X^{--}粒子的质量限制可设为多大？
• RQ5 ATLAS和CMS联合其Run 2统计数据，能否使双电荷粒子的探测灵敏度超越单一实验？

主要发现

• 基于7和8 TeV数据，ATLAS和CMS的当前实验限制在95%置信水平下，已排除质量低于680 GeV的双电荷粒子。
• 基于完整Run 2数据（13 TeV，每实验约120 fb⁻¹），预计双电荷粒子的下限质量限制可达每实验1.2 TeV。
• 若ATLAS和CMS联合其Run 2统计数据，双电荷粒子的质量下限限制可能提升至1.3 TeV。
• O-氦暗物质模型为DAMA年周期调制信号、低温探测器中无信号，以及INTEGRAL正电子湮灭线过量提供了自洽的解释。
• 该模型预测，无论X^{--}粒子是基本粒子（如AC轻子）还是复合粒子（如重夸克簇团），其在对撞机中均会产生与其他奇异粒子不同的独特信号。
• 在LHC中搜索X^{--}被认定为复合暗物质场景中带电组分存在的直接且关键的检验手段。