[论文解读] A Unified Hidden-Sector-Electroweak Model, Paraphotons and the X-Boson

M. J. Neves, J. A. Helayël-Neto|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 10

一句话总结

本文提出一个统一的 $SU_L(2) imes U_R(1)_J imes U(1)_K$ 规范模型，通过不同的对称性自发破缺模式实现TeV尺度的 $Z^\prime$ 玻色子和17 MeV的 $X$-玻色子。该模型在一个框架内统一了暗物质候选者、类光子态（para-photons）和暗光子，预测在 $Z^\prime$ 情形下存在一个重希格斯粒子（1.2–3.7 TeV），在 $X$-玻色子情形下存在一个轻希格斯粒子（1.9–19 GeV），并引入费米子型暗物质候选者与右手中微子混合以消除异常。

ABSTRACT

Our contribution sets out to investigate the phenomenology of a gauge model based on an $SU_{L}(2) imes U_{R}(1)_{J} imes U(1)_{K}$-symmetry group. The model can accommodate in its distinct phases - by virtue of different symmetry-breaking patterns - a candidate to a heavy $Z'$-boson at the TeV-scale and the recently discussed $17 \, \mbox{MeV}$ X-boson that may bring about a new physics at the $\mbox{MeV}$-scale. Furthermore, the para-photon of the dark matter sector and the candidate to the so-called dark photon can also be described in the scenario we are endeavoring to set up in this paper. In the $Z'$-scenario, the extended Higgs sector introduces a heavy scalar whose mass lies in the region $1.2-3.7 \, \mbox{TeV}$, while that the lower energy scale scenario presents a light scalar with mass in the interval $1.9-19 \, \mbox{GeV}$. The fermionic sector includes an exotic candidate to dark matter that mixes with the right-neutrino component in the Higgs sector, so that the whole field content yields the cancellation of the U(1)-anomaly. The masses are fixed according to the particular way the symmetry breaking takes place. In view of the possible symmetry breakdown patterns, we study the phenomenological implications in both scenarios of high- and low-energy scales. As examples, we consider the scattering of Standard Model matter into dark sector constituents intermediated by the $Z'$-boson in the $\mbox{TeV}$-scale, and the corresponding scattering intermediated by a lightest boson in the lower scale physics. Furthermore, we obtain the magnetic dipole momentum (MDM) of the exotic fermion and the transition MDM due to the mixing with the right-neutrino.

研究动机与目标

• 构建一个统一的规范模型，将TeV尺度的 $Z^\prime$ 玻色子和17 MeV的 $X$-玻色子统一于单一隐性规范体系中。
• 将类光子和暗光子描述为统一的 $U(1)_K$ 扩展电弱模型中的涌现态。
• 通过引入与右手中微子混合的奇异费米子，确保异常消除。
• 探索 $Z^\prime$ 和 $X$-玻色子与标准模型及暗物质粒子相互作用的现象学信号。
• 计算奇异费米子的磁偶极矩（MDM）及其与右手中微子混合导致的跃迁磁偶极矩。

提出的方法

• 假设一个 $SU_L(2)\times U_R(1)_J\times U(1)_K$ 规范对称性，并采用两种顺序的自发对称性破缺（SSB）模式。
• 通过真空期望值（VEVs）实现SSB：$\langle\Xi\rangle_0 \sim 2.8$ TeV 用于 $Z^\prime$ 情形，$\langle\Phi\rangle_0 \sim 246$ GeV，$\langle\Xi\rangle_0 \sim 1.9{-}19$ GeV 用于 $X$-玻色子情形。
• 引入扩展的希格斯场 sector，分别在两种情形下引入一个重标量（1.2–3.7 TeV）和一个轻标量（1.9–19 GeV）。
• 引入奇异中性费米子 ($\zeta_i$) 作为暗物质候选者，其质量为 0.5–1 TeV（高能标）或 0.3–6.6 GeV（低能标），并与右手中微子混合以消除手征异常。
• 在一阶量子修正下计算 $\zeta_i$ 的磁偶极矩（MDM）及其与右手中微子混合导致的跃迁MDM。
• 分析散射过程：$e^+e^- \to X \to \bar{\zeta}_1^\prime \zeta_1^\prime$ 和 $pp \to Z^\prime \to \text{SM} \to \text{dark sector}$，并通过QED顶点修正约束 $X$-玻色子的耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一的统一规范模型能否通过不同的对称性破缺模式同时容纳TeV尺度的 $Z^\prime$ 玻色子和17 MeV的 $X$-玻色子？
• RQ2 $Z^\prime$ 和 $X$-玻色子情形在希格斯场结构和质量谱上有何不同？
• RQ3 $Z^\prime$-介导的SM与暗物质粒子之间的散射具有哪些现象学意义？
• RQ4 奇异费米子与右手中微子的混合如何影响暗物质候选者的磁偶极矩？
• RQ5 $X$-玻色子的耦合对电子和μ子的轴向耦合施加了何种约束？

主要发现

• 估算的 $Z^\prime$-玻色子质量约为2 TeV，与ATLAS和CMS数据一致，源于真空期望值尺度 $u \approx 2.8$ TeV。
• 在 $Z^\prime$ 情形下，重希格斯标量的预测质量范围为1.2–3.7 TeV，取决于对称性破缺参数。
• 在 $X$-玻色子情形下，隐性希格斯质量被限制在1.9–19 GeV之间，与17 MeV的 $X$-玻色子质量标度一致。
• 质量为0.5 TeV的 $\zeta_1^\prime$ 费米子在一阶量子修正下的磁偶极矩（MDM）估算为 $1.2 \times 10^{-21} \mu_B$。
• 对电子和μ子的轴向耦合分别受到约束：$|\varepsilon_{e_L}| \lesssim 5.3 \times 10^{-5}$ 和 $|\varepsilon_{\mu_L}| \lesssim 8.7 \times 10^{-5}$。
• $X$-玻色子可介导 $e^+e^- \to X \to \bar{\zeta}_1^\prime \zeta_1^\prime$ 过程，其中 $M_{\zeta_1^\prime} = 1$ GeV，为标准模型与暗物质之间提供了门户。