[论文解读] Dirac-Fermionic Dark Matter in $U(1)_X$ Models

Alexandre Alves, Asher Berlin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用 17

一句话总结

本文研究了在具有四种不同 $Z'$-费米子耦合结构的 $U(1)_X$ 规范模型中，狄拉克费米子暗物质的性质：$U(1)_{B-L}$、$U(1)_{d-u}$、$U(1)_{universal}$ 和 $U(1)_{10+\bar{5}}$。结合直接探测（LUX、XENON）、间接探测（Fermi-LAT）、对撞机搜索（LHC 二轻子束）以及μ子磁矩的约束，研究发现，除非 $Z'$ 耦合常数被高度抑制，否则直接探测和对撞机限制排除了质量低于约 1 TeV 的暗物质；在多个模型中，$Z'$ 质量高达约 3 TeV 也被排除。$U(1)_{d-u}$ 模型可容纳 ATLAS 二玻色子过剩现象。

ABSTRACT

We study a number of $U(1)_X$ models featuring a Dirac fermion dark matter particle. We perform a comprehensive analysis which includes the study of corrections to the muon magnetic moment, dilepton searches with LHC data, as well as direct and indirect dark matter detection constraints. We consider four different coupling structures, namely $U(1)_{B-L}, U(1)_{d-u}, U(1)_{universal}$, and $U(1)_{10+\bar{5}}$, all motivated by compelling extensions to the standard model. We outline the viable and excluded regions of parameter space using a large set of probes. Our key findings are that (i) the combination of direct detection and collider constraints rule out dark matter particle masses lighter than $\sim 1$ TeV, unless rather suppressed Z'-fermion couplings exist, and that (ii) for several of the models under consideration, collider constraints rule out Z' masses up to $\sim 3$ TeV. Lastly, we show that we can accommodate the recent Diboson excess reported by ATLAS collaboration within the $U(1)_{d-u}$ model.

研究动机与目标

• 评估在具有不同 $Z'$-费米子耦合结构的 $U(1)_X$ 模型中，狄拉克费米子暗物质的可行性。
• 评估来自直接探测（LUX、XENON）、间接探测（Fermi-LAT）、对撞机搜索（LHC 二轻子束）以及 μ 子磁矩的约束。
• 确定满足观测到的暗物质遗迹密度和微扰性要求的参数空间。
• 检验这些模型中是否能解释 ATLAS 二玻色子过剩现象，特别是 $U(1)_{d-u}$ 框架下的可能性。

提出的方法

• 构建四种具有不同 $Z'$-费米子耦合模式的 $U(1)_X$ 模型：$U(1)_{B-L}$、$U(1)_{d-u}$、$U(1)_{universal}$ 和 $U(1)_{10+\bar{5}}$，其动机来自大统一理论和异常消除。
• 使用公开代码 Queiroz:2014zfa 精确计算 μ 子磁矩（$g-2$）的修正。
• 利用 LHC 二轻子搜索数据约束 $Z'$-介导的 $pp \to \ell^+\ell^-$ 过程，设定 $Z'$ 质量和耦合常数的上限。
• 应用 LUX 和 XENON 的直接探测限制，约束自旋无关和自旋依赖的散射截面。
• 应用 Fermi-LAT 对矮椭圆星系观测结果的间接探测限制，约束 $\chi\bar{\chi} \to \gamma\gamma$、$\gamma\gamma\gamma$ 等过程。
• 通过求解玻尔兹曼方程并计算湮灭截面，施加热退耦机制下正确遗迹丰度的要求。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前实验约束下，狄拉克费米子暗物质在 $U(1)_X$ 模型中，具有 $Z'$-介导相互作用的可行参数空间是什么？
• RQ2 直接探测、间接探测以及对撞机搜索（尤其是二轻子束限制）如何约束 $Z'$ 质量和耦合强度？
• RQ3 最近在约 2 TeV 处观测到的 ATLAS 二玻色子过剩现象，是否可在 $U(1)_{d-u}$ 模型中通过狄拉克费米子暗物质候选者得到解释？
• RQ4 在小 $Z'$-费米子耦合区域，μ 子磁矩（$g-2$）的修正在多大程度上约束了参数空间，尤其在直接探测和间接探测限制变弱时？
• RQ5 结合直接探测和对撞机约束，允许的最小暗物质质量是多少？在何种条件下，更轻的质量仍可成立？

主要发现

• 除非 $Z'$-费米子耦合常数被高度抑制，否则直接探测与对撞机约束联合排除了质量低于约 1 TeV 的狄拉克费米子暗物质。
• 在所研究的多个模型中，来自二轻子束搜索的对撞机约束排除了高达约 3 TeV 的 $Z'$ 玻色子质量。
• $U(1)_{d-u}$ 模型可容纳最近在约 2 TeV 处观测到的 ATLAS 二玻色子过剩现象，提示可能存在新物理信号。
• 在小 $Z'$-费米子耦合区域，μ 子磁矩（$g-2$）提供了强有力的约束，此时直接探测与间接探测限制变弱。
• 微扰性限制（定义为 $\Gamma_{Z'} \gtrsim M_{Z'}/2$）排除了参数空间的显著部分，尤其在 $Z'$ 耦合常数较大时。
• 遗迹密度约束成功识别出一个狭窄的参数空间区域，可在所有模型中重现观测到的暗物质丰度。