[论文解读] Simplified dark matter top-quark interactions at the LHC

Ulrich Haisch, Emanuele Ré|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 28被引用 27

一句话总结

本文通过自旋-0 s通道媒介子修正并更正了大型强子对撞机（LHC）对暗物质（DM）与顶夸克相互作用的约束，比较了单 jets 与 $\not{E}_T + \bar{t}t$ 搜索通道。结果表明，在 8 TeV 和 14 TeV 下，单 jets 搜索比 $\not{E}_T + \bar{t}t$ 搜索更敏感，且有效场论（EFT）对 LHC 限制的解释仅在特定条件下成立，简化模型显示当前实验尚无法排除弱耦合理论。

ABSTRACT

Stringent limits on the interactions between dark matter (DM) and the standard model can be set by studying how initial-state or final-state particles recoil against missing transverse energy (MET). In this work, we improve, extend and correct LHC constraints on the interactions between DM and top quarks that are mediated by the exchange of spin-0 s-channel resonances. A comparison of the LHC run-1 sensitivity of the two main search channels is presented, which shows that mono-jet searches are typically more restrictive than the MET + tbar t searches. We furthermore explore the reach of the 14 TeV LHC. The collider constraints are compared to the restrictions arising from direct and indirect detection as well as the DM relic abundance, and we also reflect on effective field theory interpretations of the LHC exclusions.

研究动机与目标

• 通过自旋-0 s通道共振态介导的顶夸克相互作用，对包含简化暗物质模型的 LHC 约束进行精细化、扩展和校正。
• 比较 LHC 在 Run-1 阶段及未来 14 TeV 运行中，单 jets（$\not{E}_T + j$）与 $\not{E}_T + \bar{t}t$ 搜索通道的灵敏度。
• 通过与精确简化模型结果对比，评估有效场论（EFT）对 LHC 排除结果解释的有效性。
• 评估对撞机约束、直接探测、间接探测与观测到的暗物质遗迹丰度之间的相互作用。

提出的方法

• 作者采用具有最小味破坏（MFV）的简化暗物质模型，描述通过标量或伪标量 s通道媒介子与顶夸克耦合的暗物质相互作用。
• 利用 POWHEG BOX 进行蒙特卡洛模拟，生成包含部分子喷发和探测器效应的 $\not{E}_T + j$ 与 $\not{E}_T + \bar{t}t$ 最终态的截面。
• 关键方法是通过抑制因子 $p_{T,\rm sup}$ 生成加权事件，以高效采样低-$p_{T,\bar{\chi}\chi}$ 区域，从而在无需完整部分子喷发和探测器模拟的情况下准确估计截面。
• 发现单 jets 信号的 LOPS 与 LO 截面之比在参数空间内近似平坦，允许以小于 10% 的不确定度将固定阶结果高效扩展至完整截面。
• 通过将 EFT 衍生的限制与精确简化模型的排除结果进行比较，确定 EFT 近似成立的区域。
• 通过扫描 $g_{\rm DM}^{S,P}$、$g_{\rm SM}^{S,P}$、$m_\chi$ 与 $M_{S,P}$ 的四维参数空间，绘制出排除区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 LHC 中，单 jets 与 $\not{E}_T + \bar{t}t$ 哪个搜索通道对暗物质-顶夸克相互作用提供更强的约束？
• RQ2 在何种条件下，EFT 对 LHC $\not{E}_T$ 搜索中暗物质-顶夸克相互作用的描述是有效的？
• RQ3 当前 LHC 搜索在多大程度上能够排除简化暗物质模型中来自纯粹弱耦合理论的参数点？
• RQ4 对撞机约束与直接探测、间接探测及观测到的暗物质遗迹密度约束相比如何？
• RQ5 是否可以通过利用平坦接受率比，无需完整探测器模拟即可准确估计截面？

主要发现

• 在 8 TeV 和未来 14 TeV 运行中，LHC 的单 jets 搜索对暗物质-顶夸克相互作用的约束强于 $\not{E}_T + \bar{t}t$ 搜索。
• 单 jets 信号的 LOPS 与 LO 截面之比在参数空间内近似恒定，8 TeV 时为 0.55–0.62，14 TeV 时为 0.40–0.46，使得截面估计更加高效。
• EFT 对 LHC 约束的解释仅在参数空间的有限区域内有效；通常需要使用简化模型计算才能获得准确的排除结果。
• 当前 ATLAS 和 CMS 的搜索无法排除标量和伪标量模型中源自纯粹弱耦合理论的参数点。
• $\not{E}_T + j$ 通道在所有考虑的情景下均比 $\not{E}_T + \bar{t}t$ 通道排除更大的参数空间区域。
• 对撞机、直接探测、间接探测与遗迹密度约束之间的相互作用表明，单一通道无法完全封闭参数空间，必须结合多方面限制才能实现完整覆盖。