[论文解读] Constraints on dark forces from the B factories and low-energy experiments

A. Soffer|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 19被引用 5

一句话总结

本文综述了来自B工厂、固定靶实验和低能强子对撞机的数据，对暗光子和暗希格斯玻色子等暗力在暗物质与标准模型之间介导相互作用的约束。研究给出了对混合参数和耦合常数的严格限制，显著缩小了GeV量级暗物质模型的可行参数空间。

ABSTRACT

The idea that dark-matter interactions with Standard-Model particles may be mediated by new bosons with masses in the MeV-to-GeV range took off several years ago. Constraints on such models were soon calculated based on older measurements. Subsequently, active collaborations conducted dedicated searches for these bosons, and new experiments were planned to improve the search sensitivity. In this note I briefly cover the basic models that predict dark vectors and scalars in this mass range, review the constraints from electron-positron colliders, fixed-target experiments, and hadron colliders, and comment on the sensitivities of future experiments.

研究动机与目标

• 综述可能解释宇宙射线正电子过剩现象的、由GeV量级矢量和标量玻色子介导的暗力理论模型。
• 总结来自B工厂、固定靶实验和强子对撞机实验的暗光子和暗希格斯耦合的实验约束。
• 评估当前和未来实验对涉及$A'$和$\phi$玻色子的暗物质门控模型的探测灵敏度。
• 基于$B$-介子和$\Upsilon$衰变，提供混合参数$\epsilon$和$y$，以及希格斯混合角$\theta$的最新限制。
• 评估未来实验（包括Belle II和LHC Run 2）在提升对这些暗物质门控模型探测灵敏度方面的潜力。

提出的方法

• 分析矢量门控（$\mathcal{L}_{\text{eff}} = \cdots - \frac{\epsilon}{2} F'_{\mu\nu} F^{\mu\nu}$）和希格斯门控（$\mathcal{L}_{\text{eff}} = \cdots - y \frac{m_f}{v} \phi \bar{f}f - \frac{1}{2} \kappa \phi \bar{\chi}\chi$）模型的有效拉格朗日量。
• 利用B工厂的$e^+e^-$碰撞探测$A'$的产生过程$e^+e^- \to \gamma A'$，随后$A' \to f\bar{f}$或$\chi\bar{\chi}$。
• 应用$\Upsilon(nS)$态的辐射衰变，搜索通过$\Upsilon \to \gamma \phi$产生的$\phi$，其中$\phi \to f\bar{f}$或不可见的$\chi\bar{\chi}$衰变。
• 分析penguin型$B$衰变（$B \to K^{(*)} \ell^+\ell^-$）以探测$\phi$对顶夸克的耦合，并对$y$设置限制。
• 结合$B\to K\nu\bar{\nu}$、$K^+ \to \pi^+ + \text{不可见}$和$e^+e^- \to Z^0 + \text{不可见}$的结果，约束希格斯混合参数$\theta$。
• 利用蒙特卡罗模拟和不变质量谱提取来自B工厂和LHC实验（包括CDF、Belle、BABAR和LHCb）的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在MeV–GeV质量范围内，当前实验对暗光子的动能混合参数$\epsilon$的限制是什么？
• RQ2 如何通过$\Upsilon(nS)$衰变约束暗希格斯玻色子与SM费米子耦合的参数$y$？
• RQ3 基于$B \to K\nu\bar{\nu}$和$K^+ \to \pi^+ + \text{不可见}$衰变，对希格斯混合参数$\theta$的限制是什么？
• RQ4 B工厂和固定靶实验在探测低质量暗力时的灵敏度如何比较？
• RQ5 未来实验（如Belle II和LHC Run 2）在灵敏度方面预期有何提升？

主要发现

• BABAR和Belle在$\Upsilon$共振能区已积累$\sim$1.6 fb$^{-1}$的数据，使高精度探测暗力成为可能。
• 在1–5 GeV质量范围内，对暗光子混合参数$\epsilon$的限制达到$\sim 10^{-4}$至$10^{-5}$，具体取决于末态。
• 根据$B \to K^{(*)}\ell^+\ell^-$衰变，耦合参数$y$被限制为$|y| \lesssim 10^{-3}$，适用于$m_\phi \lesssim 4.5$ GeV。
• 基于$B \to K\nu\bar{\nu}$和$K^+ \to \pi^+ + \text{不可见}$数据，希格斯混合参数$\theta$被限制为$|\tan 2\theta| \lesssim 10^{-3}$。
• LHCb的1 fb$^{-1}$数据样本已提供对$y$的竞争力限制，且在Run 2中有望实现数量级的灵敏度提升。
• Belle II预计通过提高亮度和专门的共振峰搜索，使$B \to K\chi\bar{\chi}$衰变的限制提升一个数量级。