[論文レビュー] Building Kinetic Mixing From Scalar Portal Matter

Thomas D. Rueter, Thomas G. Rizzo|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 46被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、標準模型のSU(2)L×U(1)Yと新たなU(1)Dダークゲージ群の両者に対して電荷を帯びるスカラー・ポータル物質場を介した1ループ図を用いて、ダーク光子と標準模型光子の間の運動的混合を生成する新しいメカニズムを提案する。これらのスカラー場がゲルマンスケールの真空期待値をとる際に、自然に混合が生じ、条件∑Y_i Q_D,i = 0 によって発散が抑制され、有限性が保証される。このモデルは、350 GeV未塔の相対的に軽いBSM状態を予測し、わずかだが検出可能な運動的混合を有するため、低運動量エネルギー欠損（MET）のシグネチャでさえもHL-LHCで探査可能である。

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.

研究の動機と目的

• スカラー・ポータル物質場を介した動的生成により、ダーク光子と標準模型光子の間の運動的混合を生じさせるダークセクター・モデルを構築すること。
• ポータルスカラーの対称的電荷割り当てにより、∑Y_i Q_D,i = 0 を満たすことで、1ループの運動的混合が有限になるように保証すること。
• モデルのコライダー・フェノロロジーを検討し、特に低運動量エネルギー欠損とBSM状態の関連生成を焦点とする。
• 現在の実験で検出されていないが、HL-LHCで探査可能な可能性があるパラメータ領域を同定すること。
• ゲルマンスケールの真空期待値を持つスカラー・ポータル物質が、既存の制約を回避しつつも現実的なダークマター相互作用を媒介できることを示すこと。

提案手法

• U(1)Dの電荷が逆で、標準模型量子数が同一の2つのスカラー二重項（ポータル物質）を導入し、∑Y_i Q_D,i = 0 を満たすようにする。
• これらのスカラー場がゲルマンスケールで真空期待値をとることを仮定し、U(1)Dの対称性を破り、ダークヒッグスおよびダーク光子に質量を与える。
• 内部線としてスカラー二重項を用いた1ループ計算により、U(1)YおよびU(1)Dゲージボソン間の運動的混合を計算し、電荷キャンセレーションによって発散が抑制されることを保証する。
• 有効場理論およびループ振幅計算を用いて、運動的混合パラメータεおよびZ–V混合パラメータε_ZVを導出する。
• ゲージカップリング、質量、真空期待値などのモデルパラメータをスキャンし、現実的なフェノロロジーを示すベンチマーク点を同定する。
• コライダー・シグネチャをシミュレートし、特にBSM状態の関連生成と、それらがSMボソンおよび運動量エネルギー欠損に崩壊する過程に注目し、METのバランスと低MET率に重点を置く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミオンではなくスカラー場を用いることで、1ループで有限な運動的混合をダーク光子と標準模型光子の間で生成できるか？
• RQ2 HL-LHCにおけるスカラー・ポータル物質のフェノロロジー的シグネチャは何か、特に運動量エネルギー欠損と関連生成の観点から。
• RQ3 運動的混合パラメータεがどれほど小さくても、現在および将来のコライダー実験で検出可能な信号を残せるか？
• RQ4 ゲルマンスケールの真空期待値を持つスカラー・ポータル物質は、コライダーで探査可能であるにもかかわらず、なぜ現在の実験では検出されていないまま残っているのか？
• RQ5 このモデルにおいて、電弱精度観測量およびダークマターの残存密度から生じる制約は何か？

主な発見

• 条件∑Y_i Q_D,i = 0 により、1ループにおける運動的混合が有限に保たれ、対数発散がキャンセルされる。
• ダーク光子質量が155 GeVから306 GeV、ダークヒッグス質量が203 GeVから346 GeVのベンチマーク点では、εの値が4.8×10⁻⁵から1.0×10⁻⁴の範囲に分布する。
• 同じベンチマーク点において、Z–V混合パラメータε_ZVは-1.9×10⁻⁴から-4.2×10⁻⁵の範囲に位置する。
• BSM状態がSMボソンと運動量エネルギー欠損に崩壊するため、コライダーイベントにおいて相対的に低い運動量エネルギー欠損（MET）が予測されるが、関連生成の対象によってMETがバランスを保つ。
• 低METであっても、HL-LHCの高い統計的精度により、特にスカラー・ポータル質量が350 GeV未塔の領域では、モデルのパラメータ空間全体のカバーが可能となる可能性がある。
• スカラー・ポータル場は軽量（弱スケール以下）であり、SMフェルミオンへの結合が弱いため、SMヒッグスとのパcentレベルの混合によって抑制されており、これにより検出が困難である可能性がある。