[论文解读] Charming ALPs

Adrián Carmona, Christiane Scherb+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 60被引用 7

一句话总结

本文研究了在树图层级下仅与上型夸克耦合的轴子样粒子（ALPs），这类粒子源于诸如QCD类暗物质领域或Froggatt-Nielsen味模型等紫外完备模型。通过低能有效场论，本文识别出此前未被宇宙学和天体物理学约束覆盖的广阔参数空间区域，该区域可被未来的固定靶实验和LHC探测到，而对 $D \to \pi^+ \text{不可见}$ 衰变的未来测量将提供关键的互补探测灵敏度。

ABSTRACT

Axion-like particles (ALPs) are ubiquitous in models of new physics explaining some of the most pressing puzzles of the Standard Model. However, until relatively recently, little attention has been paid to its interplay with flavour. In this work, we study in detail the phenomenology of ALPs that exclusively interact with up-type quarks at the tree-level, which arise in some well-motivated ultra-violet completions such as QCD-like dark sectors or Froggatt-Nielsen type models of flavour. Our study is performed in the low-energy effective theory to highlight the key features of these scenarios in a model independent way. We derive all the existing constraints on these models and demonstrate how upcoming experiments at fixed-target facilities and the LHC can probe a vast region of the parameter space, which is currently not excluded by cosmological and astrophysical bounds. We also emphasize how a future measurement of the currently unavailable meson decay $D o \pi + m{invisible}$ could complement these upcoming searches and help to probe a large unexplored region of their parameter space.

研究动机与目标

• 以模型无关的方式研究在树图层级下仅与上型夸克耦合的轴子样粒子（ALPs）的唯象学特征。
• 识别并绘制出当前宇宙学和天体物理学约束尚未覆盖的此类ALPs的可行参数空间。
• 展示未来固定靶实验和LHC探测此类ALPs在广阔且此前未被探索的参数空间区域的潜力。
• 强调测量稀有衰变 $D \to \pi^+ \text{不可见}$ 作为此类ALP模型互补探测手段的重要性。

提出的方法

• 构建低能有效场论以描述ALP与上型夸克的相互作用，且不依赖于特定的紫外完备实现。
• 推导该模型参数在现有实验、宇宙学和天体物理学约束下的限制。
• 进行全面的唯象学分析，以绘制ALP参数空间中允许与排除的区域。
• 评估未来固定靶实验和LHC对这些ALPs的发现潜力。
• 评估 $D \to \pi^+ \text{不可见}$ 衰变作为模型探测手段的灵敏度。
• 采用模型无关的有效场论技术，以确保在各种紫外驱动实现中的广泛适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在模型无关的有效场论框架下，仅与上型夸克耦合的ALPs的关键唯象学特征是什么？
• RQ2 ALP参数空间中哪些区域尚未被当前宇宙学和天体物理学约束覆盖？
• RQ3 未来固定靶实验和LHC如何探测该参数空间中此前未被探索的区域？
• RQ4 $D \to \pi^+ \text{不可见}$ 衰变在探测剩余未探索参数空间中扮演何种角色？
• RQ5 像QCD类暗物质领域或Froggatt-Nielsen味模型等紫外驱动模型如何实现此类ALP耦合？

主要发现

• ALP参数空间的显著区域——特别是与上型夸克耦合的轻量级ALPs——尚未被当前宇宙学和天体物理学约束所排除。
• 未来固定靶实验和LHC能够探测该参数空间中广阔且此前无法触及的区域，尤其在ALP质量低于奇异强子阈值时。
• 若能测量到，$D \to \pi^+ \text{不可见}$ 衰变将为这一类ALP模型提供强有力的互补探测手段。
• 模型无关的有效场论方法表明，唯象学主要由与上型夸克的耦合主导，其他费米子的影响可忽略不计。
• 来自稀有奇异强子和π介子衰变的约束远比先前假设的要宽松，为新物理信号留出空间。
• 本研究在参数空间中识别出特定基准点，未来实验在这些点上有望实现高灵敏度探测。