[论文解读] Stellar cooling bounds on new light particles: including plasma effects

Edward Hardy, Robert Lasenby|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2016

Cosmology and Gravitation Theories被引用 3

一句话总结

该论文通过引入影响介质中标量和矢量粒子产生率的电浆效应，重新评估了恒星冷却对新轻粒子的约束，使电子和核子耦合标量（m <~ keV）的约束强度最高提升至1000倍，显著修订了对暗光子耦合的超新星约束，并改变了矢量玻色子的质量依赖性。对于质量小于约2 keV的标量粒子，其与希格斯玻色子的耦合通道，其混合角被约束在 <~ 3×10⁻¹⁰ 以内，该约束在高于约0.2 eV的能量区域成为主导约束。

ABSTRACT

Strong constraints on the coupling of new light particles to the Standard Model (SM) arise from their production in the hot cores of stars, and the effects of this on stellar cooling. For new light particles which have an effective in-medium mixing with the photon, plasma effects can result in parametrically different production rates to those obtained from a naive calculation. Taking these previously-neglected contributions into account, we make updated estimates for the stellar cooling bounds on light scalars and vectors with a variety of SM couplings. In particular, we improve the bounds on light (m <~ keV) scalars coupling to electrons or nucleons by up to 3 orders of magnitude in the coupling squared, significantly revise the supernova cooling bounds on dark photon couplings, and qualitatively change the mass dependence of stellar bounds on new vectors. Scalars with mass <~ 2 keV that couple through the Higgs portal are constrained to mixing angle <~ 3*10^-10, which gives the dominant bound for scalar masses above ~ 0.2 eV.

研究动机与目标

• 通过在恒星核心中考虑电浆效应，改进现有对新轻粒子的恒星冷却约束。
• 量化介质中与光子的混合如何改变轻标量和矢量粒子的产生率。
• 修订标量和矢量粒子与电子、核子以及希格斯玻色子的耦合约束。
• 评估电浆效应对超新星冷却约束的影响，特别是对暗光子的影响。
• 确定介质效应导致的质量依赖性约束的定性和定量变化。

提出的方法

• 使用有限温度场论在电浆环境中建模新轻粒子与光子的介质有效混合。
• 利用包含电浆屏蔽和集体模式的修正传播子，计算恒星核心中标量和矢量粒子的产生率。
• 将结果应用于恒星冷却观测，特别是红巨星和超新星，以推导粒子耦合的约束。
• 以希格斯玻色子耦合为基准相互作用，推导标量混合角的约束。
• 与简单的树图估计进行比较，以量化电浆效应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 恒星核心中的电浆效应如何改变新轻标量和矢量粒子的产生率？
• RQ2 介质修正在多大程度上改善了对标量粒子与电子和核子耦合的约束？
• RQ3 电浆效应如何改变对暗光子耦合的超新星冷却约束？
• RQ4 由于介质效应，新矢量玻色子的恒星冷却约束的质量依赖性如何被修订？
• RQ5 对于质量小于约2 keV的希格斯玻色子耦合标量，其最强的混合角约束是什么？

主要发现

• 与简单估计相比，电浆效应使质量小于约1 keV的轻标量粒子（与电子或核子耦合）的约束强度最高提升至1000倍。
• 对于质量低于约2 keV的标量粒子，其与希格斯玻色子的耦合通道的混合角被收紧至 <~ 3×10⁻¹⁰ 以内，成为高于约0.2 eV能量区域的主导约束。
• 由于介质效应，对暗光子耦合的超新星冷却约束被显著修订，改变了以往的解释。
• 在包含电浆效应后，新矢量玻色子的恒星冷却约束的质量依赖性发生定性改变。
• 与光子的介质混合导致产生率具有参数上不同的行为，使得在致密恒星电浆中简单树图近似失效。