[论文解读] Sensitivity of future collider facilities to WIMP pair production via effective operators and light mediators

N. Zhou, D. Berge+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 14

一句话总结

本文评估了未来强子对撞机（LHC14、33 TeV 和 100 TeV 质子-质子对撞机）在有效场论算符和重 $Z^\prime$ 传播子机制下对弱相互作用大质量粒子（WIMP）对产生过程的敏感度。基于 LHC 数据的信号与背景估计外推，结果表明，更高能量、高亮度的设施显著提升了对 WIMP 耦合和质量参数的探测能力，尤其在共振传播子和高-$\not\!E_\mathrm{T}$ 末态中表现突出。

ABSTRACT

We present extrapolations of the current mono-jet searches at the LHC to potential future hadron collider facilities: LHC14, as well as $pp$ colliders with $\sqrt{s}=33$ or 100 TeV. We consider both the effective operator approach as well as one example of a light mediating particle.

研究动机与目标

• 评估下一代强子对撞机对通过缺失能量加喷注末态探测 WIMP 对产生的预期敏感度。
• 比较有效场论（EFT）模型与显式共振传播子模型（如重 $Z^\prime$）的探测能力。
• 量化在更高质心能量和亮度下，WIMP 耦合与质量探测潜力的提升程度。
• 基于 LHC 数据和模拟的信号/背景效率，外推 WIMP 对产生截面和传播子耦合的限制。
• 通过识别最优 $\not\!E_\mathrm{T}$ 阈值和设施配置，为未来实验策略提供建议。

提出的方法

• 利用部分子级模拟，将 $\sqrt{s} = 7$ TeV 时 LHC 单喷注搜索的信号与背景产额外推至更高能量设施。
• 使用 MadGraph5 和 Pythia 生成信号事件（$pp \to \chi\bar{\chi} + j$）和主要的 $Z \to \nu\bar{\nu} + j$ 背景，采用 MLM 匹配方法。
• 应用亮度、质心能量和 $\not\!E_\mathrm{T}$ 阈值的缩放因子，估算新设施下的信号效率与背景产额。
• 通过公式 $N_{\text{sig}} = \mathcal{L} \cdot \epsilon_0 \cdot \frac{\epsilon_{\not\!E_\mathrm{T}>X}}{\epsilon_{\not\!E_\mathrm{T}>350}} \cdot \sigma(\sqrt{s})$ 计算敏感度，背景缩放公式为 $N_{\text{bg}} = E_b \cdot N_{\text{bg}}^{\sqrt{s}=7}$。
• 将预期的 $g_{Z^\prime}$ 和 $\sigma(pp \to Z^\prime \to \chi\bar{\chi})$ 限制与先前 LHC 数据的 EFT 限制进行比较，使用 $1/M_* = g_{Z^\prime}/M_{Z^\prime}$。
• 在 $\sqrt{s} = 14$、33 和 100 TeV 下评估性能，亮度范围为 $\mathcal{L} = 300$ 至 3000 fb$^{-1}$，重点关注高-$\not\!E_\mathrm{T}$ 截断以抑制背景。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来强子对撞机对 WIMP 对产生的敏感度如何随质心能量和亮度的增加而变化？
• RQ2 在探测 WIMP 相互作用方面，有效场论模型与显式共振传播子模型（如 $Z^\prime$）的探测能力相比如何？
• RQ3 在未来的对撞机设施中，何种 $\not\!E_\mathrm{T}$ 阈值可最大化探测潜力？
• RQ4 在 $Z^\prime$ 介导的产生过程中，未来对撞机在 WIMP 耦合与质量参数方面相较于现有 LHC 限制能提升多少？
• RQ5 预期的探测灵敏度与 Fermi-LAT 和 CTA 的间接暗物质约束相比如何？

主要发现

• 在 $\sqrt{s} = 100$ TeV 且 $\mathcal{L} = 3000$ fb$^{-1}$ 条件下，对 $Z^\prime$ 耦合的敏感度相比 $\sqrt{s} = 14$ TeV 且 $\mathcal{L} = 300$ fb$^{-1}$ 提升了最多 10 倍，尤其在 $m_\chi = 100$ GeV 时表现显著。
• 对于 $\sqrt{s} = 100$ TeV 且 $\mathcal{L} = 3000$ fb$^{-1}$，$\not\!E_\mathrm{T} > 5500$ GeV 的阈值可使 $g_{Z^\prime} \sim 10^{-2}$ 时探测到高达 $\sim 10$ TeV 的 $Z^\prime$ 质量。
• 在 $\mathcal{L} = 3000$ fb$^{-1}$ 条件下，100 TeV 设施对 $g_{Z^\prime}$ 的预期限制在 $m_\chi = 100$ GeV 时超过先前 LHC 限制一个数量级以上。
• 在更高能量下，对 $D_5$ 和 $D_8$ 有效算符的敏感度显著提升，$\sqrt{s} = 100$ TeV 时对 WIMP 对湮灭截面的预期限制可达到 $\sim 10^{-3}$ pb（$m_\chi = 1$ TeV 时）。
• 对于 $Z^\prime$ 介导的产生过程，$\sqrt{s} = 33$ TeV 且 $\mathcal{L} = 3000$ fb$^{-1}$ 的设施可探测到 $g_{Z^\prime} \sim 0.1$ 时高达 $\sim 5$ TeV 的 $Z^\prime$ 质量。
• 本研究表明，$\not\!E_\mathrm{T}$ 阈值必须随能量增加而调整，以维持信号与背景比，最优阈值分别为 $\sim 2750$ GeV（$\sqrt{s} = 33$ TeV）和 $\sim 5500$ GeV（$\sqrt{s} = 100$ TeV）。