[논문 리뷰] Leptoquark manoeuvres in the dark : a simultaneous solution of the dark matter problem and the RD(∗) anomalies

G. Bélanger, Aoife Bharucha외 11명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 85인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 스칼라 레프토퀀크(S1)를 통해 B-메손 붕괴에서 관측된 레프톤 쿼르크 대칭성 위반(RD(∗) 이상 현상)을 동시에 설명하고, 은신 세그먼트를 통해 타당한 암흑물질 후보를 제공하는 통합 매개체를 제안한다. 이 모델은 Z₂ 대칭에 의해 안정화된 암흑물질 입자 χ₀를 포함하며, S1이 표준모형과 암흑세그먼트 사이의 상호작용을 매개한다. 주요 결과로는 직접 탐측 제약 조건과 잔류 밀도 계산이 레프토퀀크-암흑세그먼트 결합에 민감하게 반응하며, 표준 냉각과 전환 기반 냉각 메커니즘을 통해 모두 정확한 잔류 밀도를 달성할 수 있음을 보여주며, LHC 탐색—특히 혼합 끝상태에서의 탐색—이 모델 검증에 핵심적인 역할을 한다.

ABSTRACT

The measured branching fractions of $B$-mesons into leptonic final states derived by the LHCb collaboration hint towards the breakdown of lepton flavour universality. In this work we take at face value the so-called $R_{D^{(*)}}$ observables that are defined as the ratios of neutral $B$-meson charged-current decays into a charged $D$-meson, a charged lepton and a neutrino final state in the tau and muon channels. A well-studied and simple solution to this charged current anomaly is to introduce a scalar leptoquark $S_1$ that couples to the second and third generation of fermions. We investigate how $S_1$ can also serve as a mediator between the Standard Model and a dark sector. We study this scenario in detail and estimate the constraints arising from collider searches for leptoquarks, collider searches for missing energy signals, direct detection experiments and the dark matter relic abundance. We stress that the production of a pair of leptoquarks that decays into different final states (i.e. the commonly called "mixed" channels) provides critical information for identifying the underlying dynamics, and we exemplify this by studying the $t τb ν$ and the resonant $S_1$ plus missing energy channels. We find that direct detection data provides non-negligible constraints on the leptoquark coupling to the dark sector, which in turn affects the relic abundance. We also show that the correct relic abundance can not only arise via standard freeze-out, but also through conversion-driven freeze-out. We illustrate the rich phenomenology of the model with a few selected benchmark points, providing a broad stroke of the interesting connection between lepton flavour violation and dark matter.

연구 동기 및 목표

• LHCb, Belle, BaBar에서 관측된 RD(∗) 이상 현상에 기반해 오랫동안 지속된 B-메손 붕괴에서의 레프톤 쿼르크 대칭성 위반 문제를 해결하기 위해.
• 이 이상 현상의 해법을 하나의 이론적 프레임워크 내에서 타당한 암흑물질 후보와 통합하기 위해.
• 레프토퀀크가 암흑세그먼트와 상호작용함으로써 콜라이더 제약 조건, 직접 탐측 신호, 암흑물질 잔류 밀도에 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 표준 냉각 이외의 메커니즘—특히 전환 기반 냉각 메커니즘을 통해도 정확한 암흑물질 잔류 밀도를 달성할 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 표준모형의 레프톤 쿼르크 대칭성 위반 이상 현상(RD(∗) 이상 현상)을 설명하기 위해 제3세대 및 제2세대 페르미온과 결합하는 우측 스핀 쿼크의 게이지 양자수를 가진 스칼라 레프토퀀크 S1을 도입한다.
• 두 개의 새로운 입자를 포함하는 암흑세그먼트를 가정한다: 안정된 암흑물질 후보 χ₀와 색을 가진 장수 입자 χ₁로, 모두 S1과 결합한다.
• 효과적 장 이론과 1-루프 계산을 통해 t-채널 χ₀–χ₁ 교환과 S1 매개 루프 도식을 통한 스핀-독립적 암흑물질-핵자 산란 횡단면을 계산한다.
• Boltzmann 방정식을 사용해 χ₀와 χ₁의 열역학적 진화를 모델링하며, 상호작용과 전환 과정을 모두 포함한다. MicrOMEGAs에 전환 기반 냉각 메커니즘을 맞춤 구현한다.
• LHC의 미량 에너지 및 레프토퀀크 탐색 결과(예: CMS b/c+MET, ATLAS 모노제트, 공진 상태 S1+MET)를 재해석하여 모델을 제약한다.
• 직접 탐측 실험과 잔류 밀도 계산의 제약 조건을 평가하며, 표준 냉각과 전환 기반 냉각 메커니즘을 모두 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 스칼라 레프토퀀크가 동시에 RD(∗) 이상 현상과 타당한 암흑물질 후보를 설명할 수 있는가?
• RQ2 특히 혼합 끝상태(예: tτbν 또는 공진 상태 S1+MET)를 포함하는 콜라이더 탐색 결과가 모델의 타당한 매개변수 공간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 레프토퀀크-암흑세그먼트 결합에 대한 직접 탐측 제약 조건이 암흑물질의 잔류 밀도에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 표준 열 냉각 이외의 메커니즘—특히 전환 기반 냉각 메커니즘—을 통해도 정확한 암흑물질 잔류 밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ5 레프토퀀크가 표준모형과 암흑세그먼트에 각각 어떻게 결합하는가에 따른 상호작용이 콜라이더, 천체물리학, 천체역학적 탐측의 전반적인 물리적 현상에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모델은 스칼라 레프토퀀크 S1이 제3세대 및 제2세대 페르미온과 결합함으로써 현재 LHCb, Belle, BaBar 데이터와 일치하는 RD(∗) 이상 현상을 성공적으로 설명한다.
• 혼합 레프토퀀크 붕괴 채널—예: tτbν 또는 공진 상태 S1+MET—은 기저의 물리적 동역학을 식별하는 데 핵심적인 서명을 제공하며, 향후 HL-LHC가 매개변수 공간의 상당 부분을 탐색할 것으로 기대된다.
• 직접 탐측 실험은 레프토퀀크-암흑세그먼트 결합에 대해 무시할 수 없는 제약 조건을 부과하며, 이는 암흑물질의 잔류 밀도에 영향을 미친다.
• 정확한 암흑물질 잔류 밀도는 표준 냉각 외에도 전환 기반 냉각 메커니즘을 통해 달성될 수 있으며, 이 경우 χ₁이 χ₀로 붕괴함으로써 열역학적 역사가 크게 변화한다.
• 콜라이더 제약 조건(특히 미량 에너지 및 공진 상태 S1+MET 탐색)과 직접 탐측 제약 조건 간의 상호작용이 타당한 매개변수 공간을 강하게 형성하며, 특히 저질량 암흑물질과 약한 레프토퀀크-암흑세그먼트 결합의 경우 더욱 두드러진다.
• 기준점 분석을 통해 모델이 맛 물리학, 암흑물질 잔류 밀도, 직접 탐측, 콜라이더 탐색 제약 조건을 동시에 충족시킬 수 있음을 보여주는 풍부한 물리적 현상이 드러난다.