[论文解读] 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 5

一句话总结

该论文提出了一种新颖机制，通过涉及同时带标准模型 SU(2)L×U(1)Y 和新的 U(1)D 暗规范群电荷的标量门户物质场的一圈图，生成暗光子与标准模型光子之间的动力学混合。当这些标量场获得 GeV 量级的真空期望值时，这种混合自然产生，并通过条件 ∑Y_i Q_D,i = 0 确保其有限性。该模型预测了相对较轻的新物理态（低于 350 GeV），具有微小但可探测的动力学混合，使其在缺失能量信号较弱的情况下仍可在 HL-LHC 上被探测到。

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.

研究动机与目标

• 构建一个暗规范模型，使得暗光子与 SM 光子之间的动力学混合通过标量门户物质场动态生成。
• 通过门户标量的对称电荷分配满足 ∑Y_i Q_D,i = 0，确保一环图动力学混合的有限性。
• 探索该模型的对撞机现象学，重点关注低缺失能量与新物理态的关联产生信号。
• 识别当前实验尚未探测但可被 HL-LHC 探测到的参数空间区域。
• 证明具有 GeV 量级真空期望值的标量门户物质可在避开现有约束的同时，实现现实的暗物质相互作用。

提出的方法

• 引入两个具有相反 U(1)D 电荷但相同 SM 量子数的标量双态（门户物质），以满足 ∑Y_i Q_D,i = 0。
• 假设这些标量场在 GeV 量级获得真空期望值，从而打破 U(1)D 并赋予暗 Higgs 与暗光子质量。
• 使用标量双态作为内线，通过圈图计算 U(1)Y 与 U(1)D 规范玻色子之间的动力学混合，借助电荷抵消确保有限性。
• 利用有效场论与圈振幅计算，推导出动力学混合参数 ε 与 Z–V 混合参数 ε_ZV。
• 对模型参数（规范耦合常数、质量、真空期望值）进行扫描，以识别具有现实现象学意义的基准点。
• 模拟对撞机信号，重点关注新物理态与 SM 玻色子衰变及缺失能量的关联产生，强调 MET 平衡与低 MET 事件率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过标量场而非费米子，在一环图中生成暗光子与 SM 光子之间的有限动力学混合？
• RQ2 在 HL-LHC 上，标量门户物质的物现学信号特征为何，特别是在缺失能量与关联产生方面？
• RQ3 动力学混合参数 ε 小到何种程度仍可在当前及未来对撞机实验中实现可探测信号？
• RQ4 在具有 GeV 量级真空期望值的情况下，标量门户物质在多大程度上可避免被当前实验探测到，尽管其处于对撞机可探测范围内？
• RQ5 该模型中电弱精确测量可观测量与暗物质丰度约束分别带来何种限制？

主要发现

• 由于满足 ∑Y_i Q_D,i = 0 的条件，该模型在一环图中实现了有限的动力学混合，从而抵消了对数发散。
• 对于暗光子质量在 155 GeV 至 306 GeV 之间、暗 Higgs 质量在 203 GeV 至 346 GeV 之间的基准点，ε 值范围为 4.8×10⁻⁵ 至 1.0×10⁻⁴。
• 相同基准点下，Z–V 混合参数 ε_ZV 的范围为 -1.9×10⁻⁴ 至 -4.2×10⁻⁵。
• 由于新物理态衰变为 SM 玻色子与缺失能量，该模型预测对撞事件中缺失横向能量（MET）水平较低，且 MET 被关联产生粒子所平衡。
• 尽管 MET 水平较低，HL-LHC 的更高统计量仍可能完全覆盖该模型的参数空间，特别是当标量门户质量低于 350 GeV 时。
• 标量门户场质量较轻（在弱能标或以下），由于其与 SM 费米子的耦合极弱（受 SM Higgs 混合至百分之一量级的抑制），可能长期保持不可探测。