[论文解读] Extended Dark Matter EFT

Tommi Alanne, Florian Goertz|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文提出了一种扩展的暗物质有效场论（eDMeFT）框架，将暗物质（DM）和媒介子均作为动力学场，从而在直接探测、遗迹密度和对撞机搜索中实现对暗物质现象学的一致描述。通过引入维度五算符，该框架在保持规范对称性和关联性的同时，捕捉了高能区的关键物理效应，揭示了单 jets、Higgs + 丢失能量与直接探测约束之间的强烈协同效应——尤其适用于费米子型和标量型暗物质与（伪）标量媒介子的情形。

ABSTRACT

Conventional approaches to describe dark matter phenomenology at collider and (in)direct detection experiments in the form of dark matter effective field theory or simplified models suffer in general from drawbacks regarding validity at high energies and/or generality, limiting their applicability. In order to avoid these shortcomings, we propose a hybrid framework in the form of an effective theory, including, however, both the dark matter states and a mediator connecting the former to the Standard Model fields. Since the mediation can be realized through rather light new dynamical fields allowing for non-negligible collider signals in missing energy searches, the framework remains valid for the phenomenologically interesting parameter region, while retaining correlations dictated by gauge symmetry. Moreover, a richer new-physics sector can be consistently included via higher-dimensional operators. Interestingly, for fermionic and scalar dark matter with a (pseudo-)scalar mediator, the leading effects originate from dimension-five operators, allowing to capture them with a rather small set of new couplings. We finally examine the correlations between constraints from reproducing the correct relic density, direct-detection experiments, and mono-jet and Higgs+missing energy signatures at the LHC.

研究动机与目标

• 为克服传统 EFT 和简化模型在描述跨不同能量尺度的暗物质现象学时的局限性。
• 开发一种模型无关但有效的框架，用于高能对撞机搜索和低能直接探测实验。
• 系统地引入高维算符，以捕捉最小暗物质-媒介子模型之外的非最小暗物质 sector 物理。
• 在一致且规范不变的设定下，探索遗迹密度、直接探测与 LHC 单 jets/Higgs + 丢失能量信号之间的关联。

提出的方法

• 形式化方法将标准模型与一个单态暗物质粒子及一个（伪）标量媒介子作为动力学自由度相结合。
• 有效拉格朗日量包含 D=4 和 D=5 算符，其耦合如 $ y_S \bar{\chi}_L \chi_R \mathcal{S} $、$ \lambda_{HS} |H|^2 \mathcal{S} $ 和 $ \frac{\mathcal{S}}{\Lambda} c_{\text{int}} \mathcal{O} $，用于高维相互作用。
• 通过将媒介子保持为物理态，该框架在对撞机能量达到 TeV 量级时仍保持规范不变性和有效性。
• 现象学约束来源于直接探测（核反冲）、遗迹密度（冻结出）以及 LHC 签名（单 jets、Higgs + 丢失能量）。
• 通过 s-通道交换，一致地描述了媒介子在二 jets、$ t\bar{t} $ 和二玻色子末态中的共振探测。
• 该方法允许系统地探索可观测量之间的关联，例如不可见 Higgs 衰变与通过 $ D=5 $ 算符产生的暗物质。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过统一的有效场论框架，在不损失有效性或一般性的情况下，描述跨直接探测、遗迹密度和对撞机实验的暗物质现象学？
• RQ2 当暗物质和一个（伪）标量媒介子均作为动力学场包含在内时，暗物质相互作用的主要贡献是什么？
• RQ3 在 eDMeFT 框架中，维度五算符如何影响 LHC 签名，如单 jets 和 Higgs + 丢失能量过程？
• RQ4 在此框架中，不可见 Higgs 衰变、直接探测极限与对撞机约束之间的关键关联是什么？
• RQ5 在哪些参数区域内，媒介子可通过二 jets 或 $ t\bar{t} $ 末态中的共振产生被探测到？

主要发现

• 对于费米子型和标量型暗物质与（伪）标量媒介子，主导效应来自维度五算符，显著减少了所需的新耦合数量。
• 胶子诱导的媒介子产生在费米子型和标量型暗物质中均导致可观的 LHC 截面，使其成为对撞机搜索的有希望通道。
• 伪标量媒介子在直接探测中仍受弱约束，因此未来直接探测实验对探索该区域至关重要。
• 不可见 Higgs 衰变强烈约束了 $ D=4 $ 门户耦合（如 $ \lambda_{HS}^\prime $），但 $ D=5 $ 算符可通过避免直接 Higgs-DM 耦合来规避这些限制。
• 在二 jets 和 $ t\bar{t} $ 末态中通过共振产生媒介子，为探测媒介子耦合提供了互补手段，尤其在与其他可观测量结合时更为有效。
• eDMeFT 框架揭示了遗迹密度、直接探测与对撞机信号之间的强关联，实现了对多信使暗物质约束的统一解释。