[论文解读] Flavoured Majorana Dark Matter then and now : From freeze-out scenarios to LHC signatures

Harun Acaroğlu, Monika Blanke+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 64被引用 1

一句话总结

本文研究了一种带有色标量介子和与右手中性上型夸克的Yukawa耦合的味暗物质Majorana模型，探讨了包括由转换驱动的冻结机制在内的宇宙学上可行的冻结机制，同时结合了D0–D̄0混合、直接/间接暗物质探测以及LHC信号的约束。该研究识别出具有微小质量劈裂和弱耦合的新参数空间，并提出了新颖的LHC搜索策略，特别是单顶夸克+喷流与缺失能量中的电荷不对称性。

ABSTRACT

We study a simplified Dark Matter model in the Dark Minimal Flavour Violation framework. Our model complements the Standard Model with a flavoured Dark Matter Majorana triplet and a coloured scalar mediator that share a Yukawa coupling with the right-handed up-type quarks with the coupling matrix $λ$. We extend previous work on this topic by exploring a large range of cosmologically viable parameter space, including the coannihilation region and, in particular, the region of conversion-driven freeze-out, while considering constraints from $D^0-\bar D^0$ mixing as well as constraints from direct and indirect Dark Matter searches. We find various realisations of conversion-driven freeze-out within the model, that open up allowed windows of parameter space towards small mass splittings and very weak Dark Matter couplings. Finally, we probe the model by reinterpreting current LHC searches for missing energy and long-lived particles. We point out gaps in the coverage of current constraints as well as new opportunities to search for the model at the LHC, in particular, the charge asymmetry in single-top production associated with jets and missing energy.

研究动机与目标

• 探索在带有色标量介子的味Majorana暗物质模型中，宇宙学上可行的暗物质参数空间。
• 研究在质量劈裂微小且耦合较弱的模型中，由转换驱动的冻结机制的可行性。
• 利用D0–D̄0混合、直接和间接暗物质探测以及LHC搜索对模型进行约束。
• 识别新颖的LHC信号，特别是带有缺失能量的单顶夸克产生中的电荷不对称性。
• 重新诠释当前LHC对缺失能量和长寿命粒子的搜索，在此模型框架下进行分析。

提出的方法

• 在暗物质最小味破坏（DMFV）框架内构建简化暗物质模型，通过引入一个Majorana三重态暗物质和一个色标量介子来扩展标准模型。
• 推导出包含湮灭、共湮灭和转换过程的暗物质数量密度演化的玻尔兹曼方程。
• 在大参数空间内进行现象学扫描，涵盖标准冻结和由转换驱动的冻结区域。
• 利用量子色动力学和有效场论技术计算暗物质湮灭、转换和衰变的截面，包括对胶子传播子采用热质量正则化。
• 重新诠释现有的LHC对缺失能量和长寿命粒子的搜索，重点关注同号双顶夸克+ /E_T和单顶夸克电荷不对称性。
• 通过求解玻尔兹曼方程的数值解，追踪暗物质和介子丰度的演化，识别冻结动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有色标量介子的味Majorana暗物质模型中，由转换驱动的冻结机制是否可能发生？哪些参数区域允许其发生？
• RQ2 D0–D̄0混合、直接和间接暗物质探测以及LHC搜索的约束如何塑造该模型的可行参数空间？
• RQ3 该模型的独特LHC信号是什么，特别是在带有缺失能量的单顶夸克产生背景下？
• RQ4 单顶夸克+喷流+ /E_T中的电荷不对称性如何作为该模型的独特探测工具？
• RQ5 微小质量劈裂和弱耦合对模型在宇宙学和对撞机约束下的可行性有何影响？

主要发现

• 该模型实现了由转换驱动的冻结机制，即使在极弱的暗物质耦合和极小的质量劈裂（低至∆m ≈ 0.38%）下，也能实现可行的暗物质遗迹密度。
• 该模型在共湮灭和由转换驱动的冻结区域中开辟了新的参数空间，尤其在质量劈裂小且Yukawa耦合弱时更为显著。
• D0–D̄0混合的约束具有重要意义，有助于排除大范围的参数空间，尤其是在耦合较大的情况下。
• 当前对缺失能量和长寿命粒子的LHC搜索尚未完全覆盖该模型的参数空间，仍存在探测灵敏度的空白。
• 在带有喷流和缺失能量的单顶夸克产生中，电荷不对称性成为一种强大且具有模型特异性的信号，具有很高的发现潜力。
• 由于暗物质态之间高效的相互转换，该模型表现出延长的冻结动力学，其行为类似于仅存在单一暗物质态的模型。