ArXiv:1308.2679
JHEP 1311 (2013) 014
Constraints for Dark Matter
from LHC & Direct Detection
in Simplified Models
長尾　桂子（新居浜工業高等専門学校）
共同研究者　A.DiFranzo, A.Rajaraman, and T.M.P.Tait
(カリフォルニア大学アーバイン校)
Standard Model
H
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Mar. 26 2014, Tera-scale workshop
これだけでは
終わらない（はず）
ダークマター(DM)は、ある
Bullet cluster�
衝突する銀河団を素通りする大きな重力源
Weak Lensing�
観測的証拠
Galactic Rotation Curve�
銀河系には光って
見えている以上に
物質がある
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遠くの宇宙からの
光を曲げる重力源
WMAP�
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宇宙背景放射のスペクトルより
Beyond the Standard Model
H
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Mar. 26 2014, Tera-scale workshop
Dark Matter
DMへの制限
§  LHC
SUSY (MSSM)
Extra Dimension
ADD model for LED
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Mar. 26 2014, Tera-scale workshop
DMへの制限
§  LHC
SUSY (MSSM)
§  Abundance
Extra Dimension
ADD model
§  Direct Detection
nucleon
Erecoil
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Mar. 26 2014, Tera-scale workshop
DMへの制限
§  LHC
SUSY (MSSM)
ADD model
§  Direct Detection
§  Abundance
SUSY (CMSSM)
Extra Dimension
arXiv:1202.3262
nucleon
Erecoil
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Mar. 26 2014, Tera-scale workshop
DMへの制限
§  LHC
SUSY (MSSM)
§  Direct Detection
§  Abundance
SUSY (CMSSM)
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Extra Dimension
arXiv:1202.3262
Mar. 26 2014, Tera-scale workshop
ADD model
Constraints for Dark Matter of Models
§  （たくさんのパラメータを含む）無数の素粒子模型で、DMにつ
いて制限が解析されている
§  その制限は、特定の理論の特定のパラメータ設定のときのみ
意味がある
§  しかも、制限は実験ごとに独立のパラメータを使ってつけられる
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Tower of Babel
もともと人々は同じ言葉を話していた。
しかし人々が天まで届く塔を建てようとした
ため、神は人間の間で通じない違う言葉を
話させるようにした。人々は混乱し、塔の
建設をやめてしまった。
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Mar. 26 2014, Tera-scale workshop
Tower of Babel
もともと人々は同じ言葉を話していた。
しかし人々が天まで届く塔を建てようとした
ため、神は人間の間で通じない違う言葉を
話させるようにした。人々は混乱し、塔の
建設をやめてしまった。
同じ目標に向かっていても
使う言語が違うと混乱・・・
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共通言語になるような模型は？ (Simplified Model)
§  いろんな素粒子模型の共通部分をとっ
てきたい
§  細かいことは無視して、DMと、SM粒子と
DMのcouplingだけに注目
decoupled
§  DMとSM粒子の相互作用に関与する新粒
子(mediator)と、DMだけがdecoupleせ
ずに残っている有効理論
•  LHC実験・直接検出実験のエネルギー
レベルで妥当と仮定
mediator
DM
Other works:
J.Goodman and W.Shepherd (2011)
M.T.Frandsen et al. (2011)
I.M.Shoemaker and L.Vecchi (2011)
…
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模型の位置関係
UV theories
Effective theory
SUSY
(mSUGRA, MSSM, NMSSM, …)
Simplified Models
ü  DM・mediator以外の
新粒子はdecouple
ü  パラメーターは3つ
(DM mass・Mediator mass・
coupling)
Extra Dimension
(UED, LS, …)
Inert DM
……
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Technicolor
Simplified Models
§  SM + Singlet DM + Colored Mediator
§  Fermionic DM (Dirac or Majorana)
§  Scalar Mediator ※ 3 generation for each mediator
u model
d model
mediator
interaction
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q model
Bounds for DM - Collider Bound -
§ [CMS Collaboration] CMS-PAS-SUS-12-028
Simplified Model T2, 8TeV, 11.7fb-1
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Direct Detection in Simplified Model
u
med.
u
χ
χ
(q → 0)
§ Spin-Independent (SI) cross section (Majorana DMの場合はゼロ)
§ Spin-Dependent (SD) Page § 16
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-Numerical Results
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u model (Dirac case)
§ Collider bound Excluded
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u model (Dirac case)
§  Direct Detection for SI cross section
軽いDMに対しては、
直接検出からの
制限は弱い
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u model (Dirac case)
§ LHC + Direct Detection Combined
ü  Direct detection (SI) is severe bound except for light DM and/or
mediator.
Direct Detection
Collider
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How about Majorana case?
§ Combined Constraints (u model)
ü  SI interaction is forbidden in tree level
ü  Dominated by LHC bound
ü  Direct detection (SI) is subdominant except for mass degenerate
region
Direct Detection
Collider
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Mar. 26 2014, Tera-scale workshop
LHC（制限） + SI（制限） + SD（予言）
§  u Model (Dirac DM)
×10-45
σSD[cm2]の上限
LHCとSIの制限が厳しいため、SD cross sectionは
現在の実験からの制限（σSD<10-35cm2）よりかなり小さい
検出はまだ時間がかかる
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Mar. 26 2014, Tera-scale workshop
LHC（制限） + SI（制限） + SD（予言）
§  u Model (Majorana DM)
×10-38
σSD[cm2]の上限
×10-39
×10-40
×10-41
×10-41
SIの制限がないため、SD cross sectionは大きくてもよい
検出は近い未来かも
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LHC（制限） + Direct Detection（制限）
+ Annihilation Cross Section（予言）
§  u Model (Dirac DM)
•  SI からの制限が厳しいため、
対消滅散乱断面積も小さくなければ
ならない
•  残存量は熱的生成では説明しづらい
§  u Model (Majorana)
•  SIからの制限がゆるいため、
対消滅散乱断面積は大きくてもよい。
•  残存量は熱的生成で説明できる領域
もある（<σv>~10-25-10-26cm3/s）
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Guiding Maps (Results)
§  Dirac DM
§  Majorana DM
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Mar. 26 2014, Tera-scale workshop
Conclusion
§  パラメータが３つだけのSimplified Model
を利用して、DMに対する制限を総合的に
考えた
§  Dirac DMへの制限は、主に直接検出実
験から
§  Majorana DMへの制限は、主にLHC実験
から
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Mar. 26 2014, Tera-scale workshop
BACKUP Slides
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Mar. 26 2014, Tera-scale workshop
直接検出実験からの制限 -Spin Dependent(SD)-
§  DMと原子核のスピンに依存する相互作用に対する制限
SI cross sectionに比べて、
5桁制限がゆるい
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LUX
arXiv:1304.4279 XENON100
LUX
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Thermal Production Scenario
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Constraints for Dark Matter of Models
§  （たくさんのパラメータを含む）無数の素 Collider (LHC)
粒子模型で、DMについて制限が解析さ
れている
§  その制限は、特定の理論の特定のパラ
メータ設定のときにしか意味がない
§  しかも、加速器と検出実験の（最低）２つ
の制限がバラバラについている
Direct Detection
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