[论文解读] Dark Matter Effective Field Theory and an Application to Vector Dark Matter

Jason Aebischer, Wolfgang Altmannshofer+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 106被引用 34

一句话总结

本文提出了暗物质有效场论（DSMEFT）与暗物质低能有效场论（DLEFT），将标准模型有效场论（SMEFT）和低能有效场论（LEFT）扩展至包含自旋为0、½和1的暗物质（DM）粒子作为标准模型（SM）单态。该研究对涉及SM与DM场的所有规范不变、六维算符进行了分类，推导了电弱尺度下的树图匹配条件，并将该框架应用于具有Z₂对称性的矢量暗物质模型，表明暗物质可通过六维三规范场强相互作用实现冻结产生（freeze-in），且在广泛的质量与耦合参数范围内存在可行参数空间。

ABSTRACT

The Standard Model Effective Field Theory (SMEFT) and the Low Energy Effective Field Theory (LEFT) can be extended by adding additional spin 0, 1/2 and 1 dark matter particles which are singlets under the Standard Model (SM) gauge group. We classify all gauge invariant interactions in the Lagrangian up to terms of dimension six, and present the tree-level matching conditions between the two theories at the electroweak scale. The most widely studied dark matter models, such as those based on the Higgs portal or on kinetic mixing between the photon and a dark photon, are based on dimension-four interactions with the SM sector. We consider a model with dark vector particles with a $\mathbb{Z}_2$ symmetry, so that the lightest dark matter particle is stable. The leading interaction with the SM is through dimension-six operators involving two dark vector field-strength tensors and the electromagnetic field-strength tensor. This model is a viable dark matter model in the freeze-in scenario for a wide range of parameters.

研究动机与目标

• 通过构建一个涵盖标量、费米子和矢量暗物质场的完整通用暗物质有效场论（DMEFT），填补文献中的空白，该理论在电弱尺度以上和以下均有效。
• 通过引入在SM规范群下为单态的自旋0、½和1的暗物质粒子，将标准模型有效场论（SMEFT）和低能有效场论（LEFT）扩展为暗物质SMEFT（DSMEFT）和暗物质LEFT（DLEFT）。
• 提供包含SM与DM场的规范不变算符的非冗余基，至六维，且不对DM场施加任何基础对称性。
• 计算DSMEFT与DLEFT在电弱尺度下的树图匹配条件，实现当重SM粒子被积分掉时的一致匹配。
• 将该形式化方法应用于具有Z₂对称性的特定矢量暗物质模型，分析其通过冻结产生与冻结消退机制的产生过程，并识别可行的参数空间。

提出的方法

• 构建暗物质SMEFT（DSMEFT），作为SMEFT的扩展，适用于电弱尺度以上和以下，其中DM场在SM下为单态，且规范不变相互作用至六维。
• 构建暗物质LEFT（DLEFT），作为LEFT的推广，适用于电弱尺度以下的轻量DM粒子，保持SU(3) × U(1)em不变性，且不假设电弱对称性自发破缺的希格斯机制。
• 对涉及SM与DM场的所有非冗余、规范不变算符进行分类，至六维，区分纯DM算符与SM与DM共同参与的算符。
• 通过积分掉重SM粒子（顶夸克、希格斯粒子、W、Z玻色子）同时保留在谱中的轻量DM粒子，推导DSMEFT与DLEFT在电弱尺度下的树图匹配条件。
• 将该形式化方法应用于具有Z₂对称性的矢量DM模型，重点研究涉及三个场强张量的六维算符：Fνμ Xaνα Xbαμ 与 εFνμ Xaνα Xbαμ。
• 分析矢量DM的冻结产生与冻结消退产生机制，计算其遗迹丰度，并通过数值扫描识别允许的参数空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于在SM下为单态的自旋0、½和1的DM粒子，SM与DM场之间至六维的完整、非冗余规范不变算符基是什么？
• RQ2 DSMEFT与DLEFT在树图层次的匹配条件如何依赖于SM与DM粒子之间的质量谱结构，特别是当重SM粒子被积分掉时？
• RQ3 在Z₂对称性保证DM稳定性的前提下，矢量暗物质与SM之间的主导相互作用是什么？涉及的六维算符具有何种结构？
• RQ4 在冻结产生情景下，哪些参数空间允许通过六维三规范场强相互作用实现矢量暗物质的可行遗迹丰度？
• RQ5 直接探测、对撞机搜索与宇宙学观测的实证约束如何共同塑造矢量DM模型的可行区域？

主要发现

• 本文提供了SM与DM场之间至六维的完整、非冗余规范不变算符基，DSMEFT与DLEFT的显式算符列表分别列于附录B与C中。
• 计算了DSMEFT与DLEFT在电弱尺度下的树图匹配条件，其中重SM粒子（顶夸克、希格斯粒子、W、Z）的贡献被积分掉，结果可推广至部分DM粒子为重的情形。
• 对于具有Z₂对称性的矢量DM模型，唯一满足规范不变性且与对称性一致的六维SM相互作用是涉及三个场强张量的算符：Fνμ Xaνα Xbαμ 与 εFνμ Xaνα Xbαμ。
• 该模型支持矢量DM的可行冻结产生机制，其遗迹丰度在广泛DM质量与耦合强度范围内与观测到的暗物质密度一致。
• 矢量DM模型的参数空间在冻结产生情景下被证明是可行的，其中遗迹密度的主要贡献来自重SM粒子通过六维算符衰变为矢量DM。
• 研究表明，DLEFT框架可独立于DSMEFT用于轻量DM与轻量SM粒子，无需依赖希格斯机制，且两套EFT之间的匹配条件保持一致。