Bridging the divide: axion searches and axino phenomenology at colliders

Dit artikel presenteert een gevoeligheidsanalyse voor het opsporen van axino's in supersymmetrische DFSZ-modellen bij de Large Hadron Collider, waarbij wordt aangetoond dat bestaande experimenten met geïntegreerde luminositeit van 140 fb⁻¹ axion-vervalconstanten onder de 10¹¹ GeV kunnen testen via verplaatste vervalprocessen van higgsino's.

De kern

Stel je voor dat het universum een enorm, complex puzzelstuk is, maar er ontbreken een paar cruciale stukjes. Wetenschappers weten dat er iets is dat we "donkere materie" noemen – iets dat we niet kunnen zien, maar dat wel zwaar genoeg is om sterrenstelsels bij elkaar te houden. Een van de meest populaire kandidaten voor dit mysterieuze materiaal is het axion.

Dit artikel is als het ware een brug die twee heel verschillende werelden met elkaar verbindt: de zoektocht naar axionen in de ruimte (door telescopen en speciale sensoren) en de zoektocht naar ze in deeltjesversnellers zoals de Large Hadron Collider (LHC) in Zwitserland.

Hier is een simpele uitleg van wat de auteurs hebben gedaan, met wat creatieve vergelijkingen:

1. Het Probleem: De "Geest" in de Machine

De axion is bedacht om een raadsel op te lossen in de natuurkunde (het "sterke CP-probleem"), maar het blijkt ook een perfecte kandidaat voor donkere materie te zijn. Het is echter een heel "luie" deeltje: het reageert nauwelijks op iets. Het is alsof je probeert een spook te vangen met een net; het spook glijdt er zo makkelijk doorheen dat je het bijna niet kunt zien.

2. De Nieuwe Theorie: Supersymmetrie en de "Axino"

De auteurs kijken naar een specifieke theorie genaamd Supersymmetrie. In deze theorie heeft elk bekend deeltje een "tweeling" of partner.

• Het axion heeft een supersymmetrische partner: de axino.
• Stel je voor dat het axion een onzichtbare spook is, en de axino is de "tweelingbroer" die iets meer gewicht heeft en soms een beetje meer opvalt.

In hun model is de axino het lichtste supersymmetrische deeltje (LSP). Dat betekent dat het het einddoel is van een soort deeltjes-afbraakketting. Zware deeltjes vallen uiteen in lichtere deeltjes, en de axino is het laatste stukje dat overblijft. Omdat het zo stabiel is, ontsnapt het uit de detector en zie je het niet meer. Dat is als een dief die door een muur loopt en verdwijnt; je ziet alleen de schade die hij heeft achtergelaten (energie die weg is).

3. De "Trage Dief" (Verplaatsbare Vertices)

Het meest interessante deel van dit artikel is hoe ze de axino proberen te vangen.

• Normaal gesproken vallen zware deeltjes direct uit elkaar (in een fractie van een seconde).
• Maar in dit model is de interactie tussen de zware deeltjes en de axino zo zwak (afhankelijk van een getal genaamd $f_a$), dat het zware deeltje een trage dood sterft. Het reist een stukje door de detector voordat het uiteenvalt.

De Analogie:
Stel je voor dat je een poppetje hebt dat een ballon vasthoudt. Normaal springt de ballon er direct af. Maar in dit model is de ballon vastgeplakt met heel veel lijm. Het poppetje loopt een paar meter door de kamer voordat de ballon er eindelijk afvalt.
In de deeltjesversneller is die "balloon" een ander deeltje (zoals een Higgs-boson) en de "pop" is een zwaar supersymmetrisch deeltje. De plek waar de ballon er afvalt, heet een verplaatste vertex (displaced vertex).

Wetenschappers kijken in de detector naar plekken waar deeltjes plotseling ontstaan, niet in het midden van de botsing, maar een stukje verderop. Dit is een heel specifiek signaal dat bijna nooit door "normale" achtergrondruis wordt nagebootst.

4. De Jacht in de LHC

De auteurs hebben een computer-simulatie gemaakt (met software die ze MadGraph en MadAnalysis5 noemen) om te kijken of de LHC deze "trage deeltjes" kan vinden.

• Ze hebben gekeken naar scenario's waarbij de zware deeltjes (higgsino's) een massa hebben onder de 1000 GeV (een eenheid van massa).
• Ze ontdekten dat als de "axion-afbraakconstante" ($f_a$) niet te groot en niet te klein is, de LHC deze deeltjes kan zien.

Het Resultaat:
Ze concluderen dat de LHC, met de data die ze nu hebben, gevoelig genoeg is om deze specifieke modellen te testen. Het is alsof ze zeggen: "We hebben een nieuwe soort val gemaakt die precies groot genoeg is om deze specifieke 'trage dieven' te vangen, terwijl de andere, snellere dieven er al doorheen zijn."

5. Waarom is dit belangrijk?

Tot nu toe hebben wetenschappers vooral gezocht naar axionen in de ruimte (door te kijken naar sterren of met speciale magneten). Maar in supersymmetrische modellen kan de koppeling tussen axionen en licht (fotonen) zo zwak zijn dat die ruimte-experimenten ze nooit zullen vinden.

De auteurs laten zien dat deeltjesversnellers een perfecte aanvulling zijn.

• Ruimte-experimenten: Kijken naar de "flits" van het axion.
• Deeltjesversnellers: Kijken naar de "voetafdruk" van het axion (de trage deeltjes die er vooruit gaan).

Als de LHC deze signalen vindt, kunnen we de eigenschappen van het axion bepalen. Als ze het niet vinden, kunnen ze bepaalde theorieën uitsluiten. Het is een tweesprong: als we het niet in de ruimte vinden, vinden we het misschien in de versneller, en andersom.

Conclusie

Kort samengevat: Dit papier zegt dat we niet alleen naar de sterren hoeven te kijken om donkere materie te vinden. We kunnen ook in de "grote deeltjesmachine" kijken naar de rare, trage bewegingen van deeltjes die net voorbij de versneller verdwijnen. Het is een slimme manier om een onzichtbare wereld te doorgronden door te kijken naar de sporen die ze achterlaten, in plaats van te wachten tot ze zichzelf laten zien.

Het is alsof je een spook niet probeert te zien door naar de lucht te kijken, maar door te kijken waar de meubels in je kamer plotseling een beetje verschuiven.

Technische samenvatting

Titel: Bridging the divide: axion searches and axino phenomenology at colliders

Auteurs: Gabe Hoshino et al. (Universiteit van Chicago, Kavli Institute, Universiteit van Tokio)
Doel: Het analyseren van de detectie van supersymmetrische axionmodellen (DFSZ) bij deeltjesversnellers, specifiek het LHC, en het vergelijken hiervan met directe detectie en astrofysische zoektochten.

---

1. Het Probleem

De axion is een goed gemotiveerde kandidaat voor donkere materie, oorspronkelijk voorgesteld om het sterke CP-probleem in de QCD op te lossen. Hoewel er uitgebreid gezocht wordt naar axionen via hun koppeling aan fotonen (bijv. ADMX, HAYSTAC), bestaan er theoretische scenario's waarin deze zoektochten minder effectief zijn:

• Supersymmetrie (SUSY): In supersymmetrische DFSZ-modellen (Dine-Fischler-Srednicki-Zhitnitsky) kan de koppeling van de axion aan fotonen ($g_{a\gamma\gamma}$) sterk worden onderdrukt of zelfs volledig verdwijnen door de bijdrage van higgsino's aan de anomalie. Dit maakt directe detectie-experimenten die afhankelijk zijn van de axion-fotonkoppeling minder gevoelig voor deze specifieke modellen.
• De Hierarchy-probleem: SUSY lost ook het elektroweak hierarchy-probleem op, maar vereist vaak lichte higgsino's (onder de 1 TeV) om natuurlijke parameterwaarden te behouden.
• Het Axino: In SUSY-modellen heeft de axion een fermionisch superpartner, het axino. Als het axino het lichtste supersymmetrische deeltje (LSP) is en R-pariteit behouden blijft, moet het axino voorkomen in de vervalketens van zwaardere SUSY-deeltjes.

Het paper adresseert de vraag hoe men deze specifieke, "onzichtbare" voor direct detectie, supersymmetrische axionmodellen kan testen via deeltjesversnellers.

2. Methodologie

De auteurs hebben een fenomenologisch model ontwikkeld en getest met de volgende stappen:

• Modelopbouw (DFSZ-PQMSSM): Ze gebruiken een supersymmetrisch DFSZ-model waarin het axino het LSP is en de higgsino's de Next-to-Lightest Supersymmetric Particles (NLSP) vormen.
  • De axino mengt met de neutralino's van het MSSM.
  • De higgsino-NLSP ($\tilde{\chi}^0_1$) vervalt naar het axino ($\tilde{a}$) via de emissie van een Higgs- ($h$) of Z-boson.
  • Deze vervalkanaal is onderdrukt door de axion-afbraakconstante $f_a$, wat leidt tot een verplaatste vervulling (displaced vertex) van de higgsino.
• Levensduurberekening: De levensduur van de higgsino ($c\tau$) wordt bepaald door $f_a$ en de massa van de higgsino ($m_{\tilde{\chi}^0_1}$). De relatie wordt gegeven door:
  $$c\tau \approx 8.9 \text{ mm} \left(\frac{f_a}{10^{10} \text{ GeV}}\right)^2 \left(\frac{1 \text{ TeV}}{m_{\tilde{\chi}^0_1}}\right)^3$$
  Dit betekent dat voor $f_a < 10^{11}$ GeV en higgsino-massa's onder 1 TeV, de vervulling plaatsvindt binnen de detector van de LHC, maar met een meetbare verplaatsing.
• Simulatie:
  • Het model is geïmplementeerd in SARAH en geëxporteerd naar UFO formaat.
  • Monte Carlo-simulaties zijn gegenereerd met MadGraph 2.9.16 (NNPDF2.3 PDF-set) voor proton-proton botsingen ($\sqrt{s} = 13$ TeV).
  • Deeltjesvervallen zijn behandeld met MadSpin en PYTHIA 8 (A14 tune).
  • Detector-effecten en selectiecriteria zijn gesimuleerd met MadAnalysis5, gebaseerd op de ATLAS-detector.
• Signatuur: Het signaal bestaat uit geproduceerde higgsino-paren die vervallen in een Higgs/Z-boson (dat hadronisch vervalt, bijv. $b\bar{b}$) en een axino. Het axino ontsnapt als donkere materie, wat leidt tot grote ontbrekende transversale impuls ($E_T^{miss}$). Het kenmerkende signaal is dus: één of meer verplaatste vertices + grote $E_T^{miss}$.
• Selectiecriteria: Gebaseerd op eerdere ATLAS-analyses voor verplaatste vertices:
  • Vertex massa $> 10$ GeV.
  • Minimaal 5 tracks.
  • Vertex verplaatst $\ge 4$ mm van de primaire vertex, binnen de fiduciale volume van de tracker ($R < 300$ mm, $|z| < 300$ mm).
  • $E_T^{miss} > 150$ GeV.

3. Belangrijkste Resultaten

De analyse levert de volgende kwantitatieve resultaten op voor een geïntegreerde luminositeit van $140 \text{ fb}^{-1}$ (Run 2 van de LHC):

• Detectiebereik: Voor higgsino-massa's onder de 1 TeV kan de LHC axion-afbraakconstanten in het bereik $f_a < 10^{11}$ GeV effectief onderzoeken.
• Uitsluitingscontouren:
  • Er zijn contourplots gegenereerd in het $m_{\tilde{\chi}^0_1}$ vs. $m_{\tilde{a}}$ vlak en het $m_{\tilde{\chi}^0_1}$ vs. $f_a$ vlak.
  • De gevoeligheid is het grootst voor lichtere axino's (die meer impuls overdragen aan de zichtbare deeltjes, waardoor $E_T^{miss}$ en jet-$p_T$ toenemen).
  • Er is een kinematisch verboden gebied voor $m_{\tilde{\chi}^0_1} < m_{\tilde{a}} + m_h$.
  • Als $f_a$ te groot is, vervalt de higgsino buiten de detector (geen signaal). Als $f_a$ te klein is, vervalt het te snel (prompt, geen verplaatste vertex).
• Complementariteit: De paper toont aan dat voor supersymmetrische DFSZ-modellen, waar de axion-fotonkoppeling onderdrukt is ($E/N = 2$ in plaats van $8/3$), de directe detectie-experimenten (zoals ADMX) minder gevoelig zijn. De collider-zoektocht vult deze hiaat op en kan parametergebieden bereiken die voor directe detectie ontoegankelijk zijn.
• Verwarring met Gravitino: Een licht axino kan qua signaal lijken op een licht gravitino. Echter, door de levensduur van de NLSP nauwkeurig te meten, kan men $f_a$ bepalen. Als dit overeenkomt met waarden uit axion-zoektochten, is dit een sterk bewijs voor het axino-scenario.

4. Bijdrage en Significantie

• Overbrugging van de kloof: Het werk verbindt twee vaak gescheiden velden: directe axion-detectie (astrofysica/lab) en high-energy collider-fysica. Het toont aan dat colliders essentieel zijn voor het testen van specifieke, theoretisch goed gemotiveerde SUSY-axionmodellen.
• Validatie van bestaande data: De studie demonstreert dat bestaande datasets van de LHC (Run 2) al gevoelig genoeg zijn om deze modellen te testen, zonder dat er nieuwe hardware nodig is, mits de juiste analysestrategie (verplaatste vertices) wordt toegepast.
• Invloed op experimenten: Het paper heeft direct geleid tot een experimentele zoektocht door de ATLAS-collaboratie (verwijzing [244]), wat aantoont dat de theoretische voorspellingen direct vertaald kunnen worden naar operationele analyses.
• Toekomstperspectief: Het benadrukt dat de High-Luminosity LHC (HL-LHC) het bereik voor $f_a$ verder kan uitbreiden, en dat zoektochten naar deeltjes die vervallen in calorimeters of muon-spectrometers nog hogere waarden van $f_a$ kunnen bereiken.

Conclusie:
Dit paper bewijst dat supersymmetrische DFSZ-axionmodellen, die vaak onzichtbaar zijn voor traditionele axion-experimenten door onderdrukking van de fotonkoppeling, uitstekend kunnen worden onderzocht via de zoektocht naar verplaatste vertices van higgsino's naar axino's bij de LHC. Het biedt een complementaire en soms unieke manier om de parameter ruimte van axion-donkere materie te verkennen.