[论文解读] WIMP Dark Matter at High Energy Muon Colliders $-$A White Paper for Snowmass 2021

Tao Han, Zhen Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

该论文表明，高能μ子对撞机（10–30 TeV）可通过包含缺失质量的搜索，完全探测到最小WIMP暗物质候选者（如费米子和标量双态、狄拉克三重态，以及马约拉纳/标量三重态）的热重子质量目标。此外，该研究还表明，消失轨迹信号可将探测范围扩展至更低的多重态，其中双态需10 TeV覆盖，更高重态则需14–30 TeV，从而确立μ子对撞机作为检验电弱尺度暗物质的决定性工具。

ABSTRACT

In a previous publication, we showed that a high energy muon collider can make decisive statements about the electroweak (WIMP) Dark Matter (DM), reaching a DM mass which could give the observed thermal relic abundance. In this document, we report new studies of the spin-$0$ minimal WIMP DM at high energy muon colliders, and update our results on the fermionic spin-$1/2$ case. We find that, by combining multiple inclusive missing mass search channels, it is possible to fully cover the thermal targets of fermionic and scalar doublets, and Dirac triplet, with a 10 TeV muon collider. Higher energies, 14 TeV$-$30 TeV, would be able to cover the thermal targets of Majorana and scalar triplet. For direct discovery of the higher EW multiplets with $n\geq5$, one may need to go beyond a 30 TeV muon collider to fully cover their thermal mass expectation.

研究动机与目标

• 评估高能μ子对撞机在探测WIMP暗物质候选者热重子丰度方面的能力。
• 评估包含缺失质量与消失轨迹信号对各种电弱多重态（双态、三重态、五重态和七重态）的探测范围。
• 确定在不同费米子与标量多重态中，完全覆盖热WIMP目标所需的质心系能量与亮度。
• 比较单光子、单μ子、二μ子与消失轨迹通道在探测WIMP暗物质方面的灵敏度。
• 确定探测更高重态（n ≥ 5）的能阈值与亮度需求，超出30 TeV范围。

提出的方法

• 使用包含缺失质量的搜索通道（如单光子、单μ子、二μ子）探测通过与SM规范玻色子关联产生WIMP的过程。
• 通过将末态粒子视为不可见（即逃逸探测器）实现模型无关的信号重建，重点分析缺失能量与动量。
• 评估长寿命WIMP的消失轨迹信号，基于寿命与横向位移建模探测器响应与信号效率。
• 进行信号截面与背景的物理现象估计，包括束流诱导背景（BIB），以评估可探测性。
• 结合多个搜索通道以提升对不同WIMP多重态的灵敏度与覆盖范围。
• 采用基准对撞机参数：√s = 3, 6, 10, 14, 30, 100 TeV，亮度为1–1000 ab⁻¹，以预测发现能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 10 TeV μ子对撞机是否能通过组合包含缺失质量的搜索，完全覆盖费米子与标量双态及狄拉克三重态WIMP暗物质的热重子质量目标？
• RQ2 探测马约拉纳与标量三重态WIMP候选者热目标所需的质心系能量是多少？
• RQ3 消失轨迹搜索在多大程度上可将探测范围扩展至更低的多重态（n ≤ 5），超越单喷注与单玻色子通道？
• RQ4 长寿命希格斯ino的信号效率如何随对撞机能量与探测器设计变化，特别是在3 TeV等低能量下？
• RQ5 30 TeV μ子对撞机是否能完全探测五重态与七重态WIMP多重态的热质量预期，或需更高能量？

主要发现

• 10 TeV μ子对撞机可通过组合包含缺失质量的搜索，完全覆盖费米子与标量双态及狄拉克三重态WIMP暗物质的热重子质量目标。
• 14–30 TeV μ子对撞机是完全覆盖马约拉纳与标量三重态WIMP候选者热目标所必需的。
• 对于n ≥ 5的更高重态（如五重态与七重态），30 TeV μ子对撞机可能无法完全覆盖热质量预期，需超越30 TeV的能量。
• 消失轨迹信号表现出强潜力，探测范围接近运动学阈值mχ ≈ √s/2，6 TeV对撞机即可覆盖双态情况的热目标。
• 在3 TeV时，由于寿命过短与接受度低，通过消失轨迹探测Higgsino的信号效率极低（约2.5×10⁻⁴），即使截面为1 fb，信号事件也少于一个。
• 束流诱导背景（BIB）的估计约为20个事件，可能在低能量下淹没信号，凸显对探测器设计改进或更高亮度的需求。