[论文解读] Effective Operators for Dark Matter Interactions

Mateusz Duch|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用 3

一句话总结

本论文对至多六维的有效算符进行了分类，这些算符描述了标准模型（包括右手中微子）与由规范 singlet 标量、左旋和右旋手征费米子以及规范玻色子组成的暗物质领域之间的相互作用。在暗物质场的稳定性对称性下，识别出哪些算符是可重整化的，哪些可在树图层次生成，哪些需要通过圈图修正生成，从而为标准模型之外的暗物质现象学提供了一个全面的框架。

ABSTRACT

The aim of this thesis is to determine possible interactions between the Standard Model with right-chiral neutrinos and a sector of dark matter composed of a real scalar, left- and right-chiral fermion and a vector particle, which are singlets of the Standard Model gauge group. In the introductory chapters we review the evidence for dark matter and methods of its detection. In the main part, we present the complete list of gauge singlet operators of dimension not greater than 4, that consist of the standard sector fields. We obtain also an analogous list for the dark matter particles. Using both of them, we find the possible interactions between the two sectors, firstly for the renormalizable theories, then within the effective theory framework with operators up to dimension 6, imposing the stability symmetry condition on each dark matter field. We consider the problem of generation for the effective operators in underlying, renormalizable gauge theory that includes the Standard Model. It is shown, which of the operators can be generated in tree-level approximation and which require a loop.

研究动机与目标

• 系统分类所有涉及标准模型场与暗物质场的规范 singlet 算符，其维度 ≤6。
• 识别标准模型（包括右手中性费米子）与由标量、费米子和矢量暗物质候选者组成的暗物质领域之间的可行相互作用。
• 确定哪些有效算符可在紫外完备的可重整化理论中生成，并区分其为树图层次生成或圈图诱导生成。
• 对暗物质场施加稳定性对称性，并分析其对允许相互作用结构的影响。
• 通过绘制所有可能的低能相互作用的完整集合，为暗物质的现象学研究提供基础。

提出的方法

• 使用标准模型场（包括右手中微子）构建所有维度 ≤6 的规范 singlet 算符的完整列表。
• 基于其量子数和稳定性对称性，构建仅涉及暗物质场的算符的并行列表。
• 将两组列表合并，以识别可见 sector 与暗物质 sector 之间所有可能的相互作用项。
• 通过考虑其在基础可重整化规范场论中的生成方式，分析每个有效算符的紫外起源。
• 使用群论与对称性方法，对算符在标准模型规范群和暗物质稳定性对称性下的分类进行分析。
• 确定每种相互作用在紫外理论中是否可在树图层次生成，或是否需要圈图修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些维度 ≤6 的有效算符可介导标准模型与由规范 singlet 粒子构成的暗物质领域之间的相互作用？
• RQ2 其中哪些算符可在紫外完备的可重整化理论中以树图层次生成？
• RQ3 哪些算符需要在紫外理论中通过圈图修正才能生成？
• RQ4 对单个暗物质场施加的稳定性对称性如何约束允许的相互作用结构？
• RQ5 标准模型与最小暗物质领域之间所有可能的低能相互作用的完整分类是什么？

主要发现

• 系统推导出所有涉及标准模型场（包括右手中微子）的规范 singlet 算符，其维度 ≤6 的完整列表。
• 在稳定性对称性约束下，构建了仅涉及暗物质场（标量、左旋和右旋手征费米子以及一个矢量粒子）的算符的对应列表。
• 两组列表的交集给出了标准模型与暗物质领域之间所有可能的可重整化及有效相互作用。
• 确定某些有效算符可在紫外理论中以树图层次生成，而另一些则需要通过圈图动力学才能出现。
• 该分类包括了 Stueckelberg 机制和 Higgs 门户相互作用在介导暗物质耦合中的作用。
• 该框架为标准模型之外的暗物质现象学研究提供了完整的基组，包括直接探测与间接探测信号。