[论文解读] The leptophilic dark matter with $Z'$ interaction: from indirect searches to future $e^+ e^-$ collider searches

Ning Chen, Jian Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 11

一句话总结

该论文提出了一种自费米子型暗物质模型，其中 $Z^{\backprime}$ 玻色子介导暗物质（DM）与带电轻子之间的相互作用，通过约 100 的增强因子，用 430 GeV 的暗物质候选者拟合了 AMS-02 的正电子过剩。研究表明，未来 $e^+e^-$ 对撞机（如 1.5 TeV 的 CLIC）可通过隐形衰变（$Z^{\backprime} \to \bar{\chi}\chi$）和单光子过程探测 $Z^{\backprime}$，适用于 $M_{Z^{\backprime}} \in (1.0, 1.5)$ TeV 的质量范围，仅需 $\mathcal{O}(1)$ pb$^{-1}$ 的亮度。

ABSTRACT

We investigate the scenario where the dark matter only interacts with the charged leptons in the standard model via a neutral vector mediator $Z'$. Such a scenario with a 430 GeV dark matter can fit the recent positron fluxes observed by the AMS-02 Collaborations, with the reasonable boost factors. We study the possibility of searching such leptophilic $Z'$ via its lepton final states and invisible decay modes at the future electron-positron colliders, such as the International Linear Collider (ILC) and the Compact Linear Collider (CLIC). We find that for the benchmark models with $Z'$ mass from 1.0 TeV to 1.5 TeV, the searches for the invisible decays of $Z' o \bar χχ$ is easily achieved at the CLIC 1.5 TeV runs via the mono-photon process. However, lighter $Z'$ with mass from 0.5 TeV to 0.8 TeV are challenging to see. The di-lepton plus single photon channel can reveal the $Z'$ mass at the ILC and CLIC with moderate luminosities.

研究动机与目标

• 使用仅通过 $Z^\prime$ 交换与所有三代带电轻子相互作用的暗物质候选者，解释 AMS-02 观测到的异常高能正电子通量。
• 在μ子反常磁矩和 LEP-II 搜索结果的约束下，检验此类自费米子型 $Z^\prime$ 模型的可行性。
• 评估 $Z^\prime$ 玻色子及其向暗物质的隐形衰变在 ILC 和 CLIC 等未来 $e^+e^-$ 对撞机中的发现潜力。
• 识别在高能 $e^+e^-$ 对撞机中探测 $Z^\prime$ 的最优末态信号，特别是 OSSF 双轻子 + 光子和单光子末态。

提出的方法

• 构建一个简化的自费米子型暗物质模型，其中 $Z^\prime$ 规范玻色子通过 $s$-通道过程介导暗物质与所有三代带电轻子之间的相互作用。
• 通过动量和赝快度截断（如光子 $p_T$ 和 $\eta$ 截断）、$E_T$ 掩蔽和反冲质量重建等方法，抑制单光子和双轻子 + 光子末态中的标准模型背景。
• 利用反冲质量 $m_{\rm rec}$ 实施 $Z^\prime$ 质量重建截断，以识别 $|m_{\rm rec} - M_{Z^{\prime}}| \leq 50$ GeV 范围内的 $Z^\prime$ 共振态。
• 在 CLIC 和 ILC 上计算 $e^+e^- \to \gamma + E_T$ 和 $e^+e^- \to \ell^+\ell^- + \gamma$ 过程的信号截面与标准模型背景贡献。
• 通过比较所有截断后的信号显著性与背景，估算实现 $5\sigma$ 发现所需的积分亮度。
• 利用关系式 $E_\gamma = (s - M_{Z^{\prime}}^2)/(2\sqrt{s})$ 定义每个 $Z^{\prime}$ 质量基准点的预期光子能量窗口。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有 430 GeV 暗物质候选者的自费米子型 $Z^\prime$ 模型是否能在不过度产生反质子的前提下，解释 AMS-02 的正电子过剩？
• RQ2 在 $e^+e^-$ 对撞机环境中，$Z^\prime$ 玻色子的发现潜力如何，特别是通过隐形衰变和单光子信号？
• RQ3 信号截面与背景抑制效果如何随 $Z^\prime$ 质量变化，特别是在 0.5–1.5 TeV 范围内？
• RQ4 在 CLIC 的单光子末态中，是否可通过反冲质量技术实现 $Z^\prime$ 质量重建？
• RQ5 在 ILC 和 CLIC 上，为在 OSSF 双轻子 + 光子和单光子通道中实现 $5\sigma$ 发现，需要多高的亮度？

主要发现

• 仅与带电轻子耦合的 430 GeV 暗物质候选者，通过 $Z^{\backprime}$ 介导，可在 $\mathcal{O}(100)$ 的增强因子下拟合 AMS-02 的正电子通量数据，且与间接探测约束一致。
• 对于 $M_{Z^{\backprime}} \in (1.0, 1.5)$ TeV 的情形，CLIC 1.5 TeV 可通过单光子过程以 $\sim\mathcal{O}(1)$ pb$^{-1}$ 的积分亮度发现 $Z^{\backprime}$ 的隐形衰变通道 $Z^{\backprime} \to \bar{\chi}\chi$。
• OSSF 双轻子 + 单光子末态可在 ILC 和 CLIC 上实现 $Z^{\backprime}$ 的发现，所需亮度适中，为 $\mathcal{O}(1)$ pb$^{-1}$ 至 $\mathcal{O}(10)$ fb$^{-1}$。
• 对于质量在 $M_{Z^{\backprime}} \in (0.5, 0.8)$ TeV 范围内的较轻 $Z^{\backprime}$ 玻色子，单光子信号截面过小，无法在当前亮度预期下实现发现。
• 包括 $E_T$ 掩蔽、光子 $p_T$ 和 $\eta$ 要求以及反冲质量重建在内的动量截断，显著降低了标准模型背景，提升了信号显著性。
• 反冲质量 $m_{\rm rec}$ 在 $Z^{\backprime}$ 质量重建中非常有效，$\pm 50$ GeV 窗口可在 CLIC 上实现 $M_{Z^{\backprime}} \in (1.0, 1.5)$ TeV 范围内的 $5\sigma$ 显著性。