[论文解读] Universal Properties of Pseudoscalar Mediators

Martin Bauer, M. Klassen+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 38被引用 6

一句话总结

本文識別出單Z末態是暗物質理論中一致且規範不變的赝标介子模型最普遍且最強勁的對撞機信號。透過專注於僅保留無法在不違反一致性條件的情況下脫耦的自由度的有效場論，作者們表明，單Z通道可探測到一個具有明確動機的參數空間，其中宇宙殘留密度、電弱精確度與單位性約束相互重疊，使其成為未來LHC搜尋的關鍵目標。

ABSTRACT

We discuss universal signals of consistent models of pseudoscalar mediators for collider searches for Dark Matter. Keeping only the degrees of freedom that can not be decoupled due to consistency conditions, we present a universality class of simplified models with pseudoscalar mediators and renormalizable couplings to Standard Model fields. We compute stability and perturbativity constraints, constraints from electroweak precision measurements, collider searches for new heavy particles as well as constraints from relic density measurements and indirect detection experiments searching for signals of Dark Matter annihilation into photons. We find that the mono-$Z$ final state is the strongest, universal signal of this class of models, with additional signatures present in the different ultraviolet completions that can be used to distinguish between them.

研究动机与目标

• 識別一類廣泛的、一致且規範不變的偽標量介子模型中普遍的對撞機信號。
• 定義一個僅保留由一致性條件所要求的不可脫耦自由度的最小有效場論。
• 確定在滿足微擾性、單位性與電弱精確度約束的同時，能重現暗物質殘留密度的可行參數空間。
• 評估現有與未來對撞機搜尋（特別是單Z）在探測此具明確動機區域的探測能力。

提出的方法

• 構建一個一致的有效場論（EFT），適用於偽標量介子，僅包含由規範不變性與單位性所要求的不可脫耦自由度。
• 從希格斯耦合測量、電弱精確度觀測量、殘留密度與間接探測實驗推導約束條件。
• 計算介子的衰變寬度與產生截面，包括透過初態輻射產生的單-jet、單-光子、單-Z與單-Higgs末態。
• 分析LHC搜尋的探測能力，專注於因紫外完成中存在額外重態而導致的單-Z與單-W末態的共振增強效應。
• 利用微擾性與穩定性約束來限制EFT的參數空間。
• 比較不同末態的敏感度，識別出單-Z為主要的普遍信號。

实验结果

研究问题

• RQ1 在一致且規範不變的偽標量介子模型中，哪些對撞末態是普遍可達的？
• RQ2 電弱精確度測量、殘留密度與單位性約束如何塑造偽標量介子模型的可行參數空間？
• RQ3 儘管在某些簡化模型中單-jet或單-光子的敏感度更高，為何單-Z末態在此類模型中仍是最強勁的普遍信號？
• RQ4 包含額外重態的紫外完成會在多大程度上增強或改變對撞信號，使其超出普遍的單-Z信號？
• RQ5 未來的LHC單-Z搜尋能否探測到由間接觀測所約束的整個可行參數空間？

主要发现

• 單-Z末態在一致的偽標量介子模型中顯現為最強勁且最普遍的對撞機信號，在可行參數空間內對比單-jet與單-光子具有更高的敏感度。
• 由電弱精確度觀測、標量勢能穩定性與單位性約束所偏好的參數空間，與能重現觀測到的暗物質殘留密度的區域顯著重疊。
• 由於紫外完成中存在額外重態，單-Z與單-W末態會因共振增強而顯著增強信號強度，而這些態並未脫耦。
• 單-jet與與t̄t產生通道並未經歷共振增強，因此在此類模型中探測範圍較為有限。
• 未來的LHC單-Z搜尋預期可探測到由間接約束定義的幾乎整個可行參數空間。
• 在特定紫外完成中，可能出現如單-Higgs末態或暗物質與帶電伴隨粒子的關聯產生等額外信號，但只要未引入新輕粒子，單-Z信號仍為普遍存在。