[논문 리뷰] Building Kinetic Mixing From Scalar Portal Matter

Thomas D. Rueter, Thomas G. Rizzo|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 06.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 46인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 스칼라 포털 물질 필드가 표준모형의 SU(2)L×U(1)Y와 새로운 U(1)D 어둠자기게이지 군 양자수를 모두 지닌 전하를 지닌 경우, 한 루프 다이어그램을 통해 어둠의 보자온과 표준모형 보자온 간의 운동량 혼합을 생성하는 새로운 메커니즘을 제안한다. 이러한 스칼라 필드가 게르마니움 규모의 진공기대값을 취할 때 자연스럽게 혼합이 발생하며, 조건 ∑Y_i Q_D,i = 0 를 통해 유한성이 보장된다. 이 모형은 350 GeV 이하의 비교적 가벼운 BSM 상태를 예측하며, 이들은 낮은 결합 강도를 지닌다 하더라도 HL-LHC에서 탐지 가능하다. 이는 결합 에너지가 낮은 서명을 가지기 때문이다.

ABSTRACT

The nature of dark matter (DM) and how it might interact with the particles of the Standard Model (SM) is an ever-growing mystery. It is possible that the existence of new `dark sector' forces, yet undiscovered, are the key to solving this fundamental problem. In this paper, we construct a model in which a dark photon mediates interactions with the SM via kinetic mixing. Unlike traditional models, in which the dark photon, which couples to a dark charge, $Q_D$, mixes with the hypercharge boson, our model effectively mixes the dark photon directly with the photon after electroweak symmetry is broken, but remains unmixed until the symmetry breaks. The kinetic mixing is generated at one loop by fields which satisfy $\sum Q_D Q_{em} = 0$, a condition which guarantees a finite result at one loop. In the literature, this has been traditionally obtained via heavy fermions, which may lie out of the reach of current accelerators. In this model, by contrast, this process is mediated by scalar `portal matter' fields, which are charged under the $SU(2)_L imes U(1)_Y$ of the standard model as well as the dark gauge group $U(1)_D$ and acquire GeV-scale vevs which give mass to the dark Higgs and dark photon. The additional scalar fields are relatively light, at or below the weak scale, yet may remain undetected by current experiments since their couplings to SM fermions come only through percent level mixing with the SM Higgs. At colliders, these models are typified by relatively low MET due the BSM states decaying into MET and SM bosons, with MET which is balanced by the decay of the associated production object. Nevertheless, the higher statistics of HL-LHC may be able to probe the entirety of the model space.

연구 동기 및 목표

• 스칼라 포털 물질 필드를 통해 어둠의 보자온과 표준모형 보자온 간의 운동량 혼합이 다이내믹하게 발생하는 어둠의 세부 모형을 구축하는 것.
• 포털 스칼라의 대칭적 전하 할당을 통해 ∑Y_i Q_D,i = 0 조건을 만족시켜 한 루프 운동량 혼합이 유한해지도록 보장하는 것.
• 모형의 콜라이더 현상학을 탐구하며, 낮은 결합 에너지와 함께 BSM 상태의 연계 생성 서명에 초점을 맞추는 것.
• 현재 실험으로는 탐지되지 않았지만 HL-LHC로는 탐지 가능한 가능성이 있는 매개변수 영역을 식별하는 것.
• 게르마니움 규모의 진공기대값을 지닌 스칼라 포털 물질이 기존 제약 조건을 피하면서도 현실적인 어둠의 물질 상호작용을 매개할 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• U(1)D 전하가 반대이지만 표준모형 양자수는 동일한 두 개의 스칼라 디블릿(포털 물질)을 도입하여 ∑Y_i Q_D,i = 0 조건을 만족시키는 것.
• 이 스칼라 필드들이 게르마니움 규모의 진공기대값을 취함으로써 U(1)D 대칭을 깨고 어둠의 힉스 및 어둠의 보자온에 질량을 제공하는 것.
• 내부 선으로서의 스칼라 디블릿을 사용하여 U(1)Y와 U(1)D 게이지 보자온 간의 한 루프 운동량 혼합을 계산하며, 전하 상쇄를 통해 유한성을 확보하는 것.
• 효과적 필드 이론과 루프 진폭 계산을 통해 운동량 혼합 계수 ε 및 Z–V 혼합 계수 ε_ZV 를 유도하는 것.
• 모형 매개변수(게이지 커플링, 질량, 진공기대값)의 스캔을 수행하여 현실적인 현상학을 보여주는 벤치마크 포인트를 식별하는 것.
• 콜라이더 서명을 시뮬레이션하며, BSM 상태의 연계 생성과 SM 보자온 및 결합 에너지로의 붕괴에 중점을 두며, MET 균형과 낮은 MET 비율에 주목하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스칼라 필드를 사용하여 어둠의 보자온과 표준모형 보자온 간의 한 루프에서의 유한한 운동량 혼합을 생성할 수 있는가?
• RQ2 HL-LHC에서 스칼라 포털 물질의 현상학적 서명은 무엇인가? 특히 결합 에너지와 연계 생성 측면에서.
• RQ3 운동량 혼합 계수 ε 가 얼마나 작아도 현재 및 향후 콜라이더 실험에서 탐지 가능한 신호를 유지할 수 있는가?
• RQ4 게르마니움 규모의 진공기대값을 지닌 스칼라 포털 물질이 콜라이더로는 탐지 가능하나, 현재 실험으로는 탐지되지 않을 정도로 얼마나 오랫동안 존재할 수 있는가?
• RQ5 이 모형에서 전자약력 정밀 관측과 어둠의 물질 잔류 밀도로부터 유도되는 제약 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 조건 ∑Y_i Q_D,i = 0 를 통해 로그 발산이 상쇄되어 한 루프에서 유한한 운동량 혼합이 생성된다.
• 어둠의 보자온 질량이 155 GeV에서 306 GeV 사이이고 어둠의 힉스 질량이 203 GeV에서 346 GeV 사이인 벤치마크 포인트에서는 ε 값이 4.8×10⁻⁵에서 1.0×10⁻⁴ 사이로 변동한다.
• 동일한 벤치마크 포인트에서 Z–V 혼합 계수 ε_ZV 는 -1.9×10⁻⁴에서 -4.2×10⁻⁵ 사이로 측정된다.
• BSM 상태가 SM 보자온과 결합 에너지로 붕괴함으로써 콜라이더 사건에서 상대적으로 낮은 결합 전방 에너지(MET)를 예측하며, 이는 연계 생성 입자에 의해 MET 균형이 유지된다.
• 낮은 MET에도 불구하고 HL-LHC의 높은 통계량 덕분에 특히 스칼라 포털 질량이 350 GeV 이하일 경우 모형의 매개변수 공간을 전체적으로 커버할 수 있다.
• 스칼라 포털 필드는 가볍고(약한 스케일 이내) SM 페르미온과의 결합이 약하기 때문에, SM 힉스와의 백분율 수준 혼합으로 인해 아직 탐지되지 않을 수 있다.