在未来正负电子对撞机上解码暗物质

我们探索了$e^+ e^-$对撞机发现暗物质并确定其性质（如质量与自旋）的潜力。为此，我们研究属于$SU(2)$弱双重态因而具有带电双重态伙伴$D^+$的暗物质$D$的自旋为零与自旋二分之一情形。对于标量暗物质情形，我们选取惰性双重态模型；对于费米子暗物质情形，我们提出仅含三个参数的新最小费米子暗物质模型。我们为所研究模型选取两个基准点，其给出观测到的正确暗物质 relic 密度且与当前暗物质搜寻一致。我们聚焦于500 GeV ILC对撞机上的特定过程$e^+ e^- \to D^+ D^- \to D D W^+ W^- \to DD(q \bar{q})(\mu^\pm\nu)$，该过程产生“双喷注 + $\mu$ + 缺失$E_T$”信号，并在快速探测器模拟层面研究该过程，考虑轫致辐射与初态辐射（ISR）效应。我们发现两个运动学可观测量——μ子能量$E_\mu$以及由双喷注重建的$W$玻色子角分布$\cos\theta_{jj}$——分别非常有助于确定暗物质质量与自旋。特别地，我们证明在费米子暗物质情形下，质量可在500 fb$^{-1}$积分亮度下以百分之几的精度测量。同时，信号低约一个数量级的标量暗物质模型需要约40倍更高的亮度才能达到质量测量的相同精度。我们发现，对于所研究的基准点，无需使用截面信息，仅以约2 ab$^{-1}$或更少的总积分亮度即可区分费米子与标量暗物质情形。