[论文解读] Summarizing experimental sensitivities of collider experiments to dark matter models and comparison to other experiments

A. Boveia, C. Doglioni+20 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文总结并比较了未来对撞机实验在简化模型下对暗物质模型的预期灵敏度，强调了与直接探测和间接探测实验的互补性。结果表明，对撞机探测——尤其是不可见末态和可见末态——可与其他探测手段形成互补，其探测能力取决于媒介子和暗物质粒子的质量、耦合常数以及质量层次关系，同时还将这些结果扩展至轻暗物质 sector 门户模型。

ABSTRACT

Comparisons of the coverage of current and proposed dark matter searches can help us to understand the context in which a discovery of particle dark matter would be made. In some scenarios, a discovery could be reinforced by information from multiple, complementary types of experiments; in others, only one experiment would see a signal, giving only a partial, more ambiguous picture; in still others, no experiment would be sensitive and new approaches would be needed. In this whitepaper, we present an update to a similar study performed for the European Strategy Briefing Book performed within the dark matter at the Energy Frontier (EF10) Snowmass Topical Group We take as a starting point a set of projections for future collider facilities and a method of graphical comparisons routinely performed for LHC DM searches using simplified models recommended by the LHC Dark Matter Working Group and also used for the BSM and dark matter chapters of the European Strategy Briefing Book. These comparisons can also serve as launching point for cross-frontier discussions about dark matter complementarity.

研究动机与目标

• 评估未来对撞机实验在不同简化模型下对暗物质的灵敏度，重点关注媒介子和暗物质粒子的质量与耦合常数。
• 比较对撞机探测能力与直接探测和间接探测实验的差异，突出互补性与探测盲区。
• 将现有对撞机灵敏度图扩展至轻暗物质 sector 门户模型，包括希格斯玻色子和 Z 玻色子门户。
• 为不同实验之间的对比与互补提供一个框架，尤其针对未来设施如 FCC-hh 和μ子对撞机。
• 基于 Snowmass 2021 过程的新预测，更新并扩展早期欧洲战略简报书中的图表。

提出的方法

• 以 LHC 暗物质工作组和欧洲战略简报书中的简化暗物质模型作为基准。
• 基于未来设施（包括 FCC-hh 和μ子对撞机）的输入数据，预测未来对撞机的灵敏度。
• 应用 LHC 探测中使用的图形比较技术，重点关注单喷注、二喷注和二轻子末态。
• 将现有的 LHC 简化模型映射至轻暗物质 sector 门户模型（如暗光子、暗希格斯、轴子门户），以实现跨模型比较。
• 重新构想现有的不可见和可见末态探测（如单喷注、希格斯玻色子不可见衰变）以适用于轻暗物质 sector 门户模型。
• 在一致的参数空间和模型框架下，对对撞机、直接探测和间接探测实验的灵敏度进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来强子对撞机（如 FCC-hh）相较于当前 LHC 探测，如何扩展对暗物质模型的探测灵敏度？
• RQ2 在不同媒介子和暗物质粒子质量下，对撞机探测中可见末态（如二喷注、二轻子）与不可见末态（如单喷注）的相对灵敏度如何？
• RQ3 在矢量和标量媒介子模型中，对撞机约束与直接探测和间接探测实验的约束相比如何？
• RQ4 现有 LHC 分析在多大程度上可被重新构想以探测轻暗物质 sector 门户模型（如暗光子或暗希格斯门户）？
• RQ5 μ子对撞机在探测低质量和高质暗物质场景中，特别是在最小 WIMP 模型中，发挥何种作用？

主要发现

• 未来强子对撞机（如 FCC-hh）可将探测灵敏度扩展至更高的媒介子和暗物质粒子质量，其探测能力强烈依赖于媒介子-标准模型耦合强度。
• 对于大耦合常数，针对特定可见末态（如二轻子共振）的探测主导灵敏度，而小耦合常数则通过间接方式受到约束。
• 在质心能量最高达 6 TeV 的μ子对撞机，对质量低于 2 TeV 的暗物质候选者探测最为理想，而更高质量则需要更高能量和更高亮度。
• 不可见探测（如单喷注）能更有效地约束较小的媒介子-标准模型耦合，从而在暗物质-核子散射平面中产生更强的限制。
• 当媒介子质量显著大于暗物质粒子质量时，探测灵敏度最高，凸显质量比在探测设计中的关键作用。
• 通过重新构想现有 LHC 探测（如希格斯玻色子不可见衰变、单喷注探测），可填补轻暗物质 sector 门户模型中 relic density 基准参数空间的大部分空白区域。