[论文解读] Isospin violating dark matter in Stückelberg portal scenarios

Víctor Martín Lozano, Miguel Peiró+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 41被引用 6

一句话总结

本文研究了在弦理论紧化中导出的Stückelberg门户情景下，由大质量$Z'$规范 boson 引发的同位旋破坏型暗物质（DM）相互作用。研究表明，此类模型自然导致暗物质与质子和中子的耦合不同——$f_n/f_p \neq \pm1$ 且 $a_n/a_p \neq \pm1$，使其可通过直接探测实验和LHC共振搜寻进行检验，其中以中子为主导的自旋无关信号尤为显著。

ABSTRACT

Hidden sector scenarios in which dark matter (DM) interacts with the Standard Model matter fields through the exchange of massive Z' bosons are well motivated by certain string theory constructions. In this work, we thoroughly study the phenomenological aspects of such scenarios and find that they present a clear and testable consequence for direct DM searches. We show that such string motivated Stückelberg portals naturally lead to isospin violating interactions of DM particles with nuclei. We find that the relations between the DM coupling to neutrons and protons for both, spin-independent (fn/fp) and spin-dependent (an/ap) interactions, are very flexible depending on the charges of the quarks under the extra U(1) gauge groups. We show that within this construction these ratios are generically different from plus and minus 1 (i.e. different couplings to protons and neutrons) leading to a potentially measurable distinction from other popular portals. Finally, we incorporate bounds from searches for dijet and dilepton resonances at the LHC as well as LUX bounds on the elastic scattering of DM off nucleons to determine the experimentally allowed values of fn/fp and an/ap.

研究动机与目标

• 研究在具有Stückelberg $Z'$ 规范 boson 的$U(1)$扩展模型中，同位旋破坏型暗物质相互作用的物理后果。
• 确定夸克在额外$U(1)$规范群下的电荷如何影响自旋无关和自旋依赖型DM-核子相互作用中的比值$f_n/f_p$和$a_n/a_p$。
• 利用LHC二胶子/二轻子共振搜寻和LUX直接探测限制约束参数空间。
• 评估在这些模型中，以中子为主导的DM散射信号相对于标准门户模型的可行性。

提出的方法

• 构建一个包含多个异常$U(1)$规范群的隐藏 sector 模型，其中$Z'$规范 boson 通过Stückelberg机制产生，并与SM及隐藏 sector 规范 boson 混合。
• 采用马德里模型框架——源自IIA型弦理论中D6-膜相交紧化——作为具有无质量超荷和大质量$Z'$态的$U(1)$扩展的明确实现。
• 计算最轻$Z'$质量本征态与SM费米子（夸克和轻子）的有效耦合，参数化为混合参数$(a,b,c,d)$及额外$U(1)$下夸克的电荷。
• 计算自旋无关（SI）和自旋依赖（SD）型DM-核子散射截面，包含质子和中子的贡献，以$f_n/f_p$和$a_n/a_p$作为关键可观测量。
• 应用LHC二胶子和二轻子共振搜寻的限制，以及利用最大间隙法进行信号排除的LUX直接探测限制。
• 在参数空间中分析六个基准点（BM点），以映射在联合实验限制下$f_n/f_p$和$a_n/a_p$的允许区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 Stückelberg $Z'$ 门户模型是否能自然生成同位旋破坏型DM相互作用，使得$f_n/f_p \neq \pm1$ 且 $a_n/a_p \neq \pm1$？
• RQ2 夸克在额外$U(1)$规范群下的电荷如何影响DM对质子和中子的相对耦合强度？
• RQ3 在结合LHC二胶子/二轻子和LUX直接探测限制后，$f_n/f_p$和$a_n/a_p$的实验允许值是什么？
• RQ4 与质子介导过程相比，这些模型中以中子介导的DM散射过程在多大程度上占主导地位？
• RQ5 LHC共振搜寻与直接探测实验之间的互补性如何有助于区分$Z'$对SM费米子的耦合？

主要发现

• Stückelberg $Z'$ 门户情景自然导致同位旋破坏型DM相互作用，由于额外$U(1)$规范对称性下夸克电荷不同，$f_n/f_p$和$a_n/a_p$通常偏离$\pm1$。
• 在允许的参数空间中，自旋无关型DM-核子散射主要由中子相互作用驱动，大多数基准点中$f_n/f_p \gg 1$。
• 自旋依赖型散射中质子贡献的抑制程度较低，但$a_n/a_p \approx -1$仍较常见，表明中子成分显著。
• LHC二轻子和二胶子共振搜寻与LUX直接探测限制共同强烈约束了参数空间，以中子为主导的信号受到最严格限制。
• 对LUX数据应用最大间隙法，确认了所有六个基准点的排除区域，验证了模拟框架的一致性。
• LHC与直接探测实验之间的互补性在探测$Z'$对夸克和轻子的耦合方面尤为有效，能够区分同位旋破坏型模式。