[论文解读] TASI 2008 lectures on Collider Signals II: E_T^missing signatures and the dark matter connection

Howard Baer|ArXiv.org|Jan 29, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用 6

一句话总结

本文对大型强子对撞机（LHC）中缺失横向能量（$ otﻮ_T$）信号进行了全面分析，作为探测新物理（特别是超对称（SUSY）、具有T-宇称的迷你希格斯模型（LHT）和通用额外维度（UED））的手段，通过宇宙遗迹密度约束将这些信号与暗物质（DM）联系起来。研究表明，在Yukawa统一的SUSY中，轴子/轴子态暗物质可自然实现观测到的遗迹密度，从而解决中性子过度产生问题，并预测在LHC上可观测到具有多缪子和喷注末态的$ otﻮ_T$信号。

ABSTRACT

These lectures give an overview of aspects of missing E_T signatures from new physics at the LHC, along with their important connection to dark matter physics. Mostly, I will concentrate on supersymmetric (SUSY) sources of missing E_T, but will also mention Little Higgs models with T-parity (LHT) and universal extra dimensions (UED) models with KK-parity. Lecture 1 covers SUSY basics, model building and spectra computation. Lecture 2 addresses sparticle production and decay mechanisms at hadron colliders and event generation. Lecture 3 covers SUSY signatures at LHC, along with LHT and UED signatures for comparison. In Lecture 4, I address the dark matter connection, and how direct and indirect dark matter searches, along with LHC collider searches, may allow us to both discover and characterize dark matter in the next several years. Finally, the interesting scenario of Yukawa-unified SUSY is examined; this case works best if the dark matter turns out to be a mixture of axion/axino states, rather than neutralinos.

研究动机与目标

• 将LHC中的缺失横向能量（$\not\!E_T$）信号与暗物质（DM）物理联系起来，特别是在超对称（SUSY）模型中。
• 解决SUSY中中性子相对于观测到的暗物质遗迹密度过度产生的宇宙学遗迹密度问题。
• 探索Yukawa统一SUSY情景下替代的DM候选者——轴子和轴子，以解决过度产生问题。
• 比较SUSY、LHT和UED模型中的对撞机信号，强调LHC中$ otﻮ_T$丰富的末态。
• 展示如果在TeV尺度发现新物理，LHC、直接和间接DM搜索如何联合表征DM的本质。

提出的方法

• 使用有效场论和R-宇称守恒的SUSY模型，计算强子对撞机中超粒子的产生和衰变链。
• 通过玻尔兹曼方程进行遗迹密度计算，以约束中性子丰度，使用来自WMAP5的$\Omega_{\widetilde{Z}_1}h^2 \approx 0.11$。
• 引入轴子和轴子态DM作为通过中性子晚期衰变解决中性子过度产生问题的方案：$\widetilde{Z}_1 \to \tilde{a} + \gamma$，将遗迹密度降低$10^{-2}$至$10^{-5}$。
• 分析胶球子对产生过程，截面$\sigma \sim 10^5$ fb，衰变为$b\bar{b}\widetilde{Z}_2$、$b\bar{b}\widetilde{Z}_1$和$t\bar{b}\widetilde{W}_1$末态。
• 考虑Yukawa统一SUSY中引力子DM，$m_{16} \sim 3-15$ TeV，要求$T_R \lesssim 10^9$ GeV以避免破坏大爆炸核合成（BBN）。
• 评估混合轴子/轴子态DM情景，$f_a \gtrsim 10^{12}$ GeV且$m_{16} \gtrsim 10$ TeV，以满足宇宙学和对撞机约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC中的缺失横向能量（$\not\!E_T$）如何作为标准模型之外新物理的信号？
• RQ2 为什么在最小SUSY模型中中性子相对于观测到的暗物质遗迹密度过度产生？如何解决这一问题？
• RQ3 在Yukawa统一SUSY中，轴子和轴子在解决中性子遗迹密度问题中扮演什么角色？
• RQ4 在Yukawa统一SUSY中，轻胶球子和轻荷电子的预期对撞机信号（特别是多缪子和喷注末态）是什么？
• RQ5 如果在TeV尺度发现新物理，LHC、直接和间接DM搜索的结合能否唯一表征暗物质的本质？

主要发现

• 在最小SUSY中，中性子遗迹密度比观测值大$10^2$至$10^5$倍，表明与宇宙学存在根本性矛盾。
• 轴子和轴子态DM可通过中性子的晚期衰变降低遗迹密度，抑制因子为$10^{-2}$至$10^{-5}$，从而解决这一过度产生问题。
• 在Yukawa统一SUSY中，胶球子质量为$350-500$ GeV，轻荷电子质量为$100-160$ GeV时，胶球子对产生截面$\sigma \sim 10^5$ fb。
• 由于$\tilde{g} \to b\bar{b}\widetilde{Z}_1$和$\tilde{g} \to t\bar{b}\widetilde{W}_1$衰变，多缪子加喷注末态预计在LHC早期数据中显著。
• 在Yukawa统一SUSY中，引力子DM仅在再热温度$T_R \lesssim 10^9$ GeV时可行，以避免破坏大爆炸核合成。
• 混合轴子/轴子态DM情景中，$f_a \gtrsim 10^{12}$ GeV且$m_{16} \gtrsim 10$ TeV时，与宇宙学观测和非热轻子生成等重子生成机制一致。