[论文解读] Hidden Fermion in Stueckelberg Z' Models as Milli-charged Dark Matter

Kingman Cheung, Tzu-Chiang Yuan|ArXiv.org|Oct 10, 2007

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

该论文提出在Stueckelberg $Z'$ 模型中存在一种隐匿的狄拉克费米子，作为具有与WMAP数据一致的遗迹密度的可行毫电荷暗物质候选者。$Z'$ 玻色子通过衰变为费米子对获得大的不可见宽度，使得在大型强子对撞机（LHC）上可探测到单喷流+缺失能量信号，以及在国际线性对撞机（ILC）上可探测到单光子+缺失能量信号；同时，费米子对的湮灭会在银河系中心产生单色伽马射线谱线，未来伽马射线实验有望探测到该信号。

ABSTRACT

The hidden Stueckelberg Z' model is augmented by a pair of Dirac fermions. If the Z' has a coupling strength comparable to weak scale coupling, one can show that this hidden fermion-antifermion pair could be a milli-charged dark matter candidate with a viable relic density. Monochromatic photon flux coming from the Galactic center due to pair annihilation of these milli-charged particles is calculated and is shown to be within reach of the next generation gamma-ray experiments. Characteristic collider signature of this theoretical endeavor is that the Stueckelberg Z' boson has a large invisible width decaying into the hidden fermion-antifermion pair if kinematically allowed. Singly production of this Z' boson at the LHC and ILC are studied.

研究动机与目标

• 探索Stueckelberg $Z'$ 模型中隐匿狄拉克费米子-反费米子对作为暗物质候选者的现象学。
• 研究该隐匿费米子作为具有与WMAP观测一致的遗迹密度的毫电荷暗物质候选者的宇宙学可行性。
• 研究$Z'$ 玻色子衰变为隐匿费米子对的对撞机信号特征，特别是大的不可见宽度和单喷流/单光子信号。
• 评估利用下一代伽马射线实验探测银河系中心$ \bar{\nu}\nu$ 湮灭产生的单色伽马射线谱线的可探测性。
• 确定该模型与现有电弱精确测量数据及对撞机约束的一致性。

提出的方法

• 在Stueckelberg $Z'$ 模型中引入一对狄拉克费米子，引入非零隐匿当前$\mathcal{J}_X^\mu = \bar{\chi}\gamma^\mu Q_X^\chi \chi$。
• 对中性规范玻色子质量矩阵进行对角化，推导混合角并计算隐匿费米子对光子、$Z$ 和 $Z'$ 玻色子的有效耦合。
• 通过$Z' \to \chi\bar{\chi}$ 计算$Z'$ 的不可见宽度，表明当动力学允许时，其宽度可达GeV量级，与$\mathcal{J}_X = 0$ 情况下典型的MeV量级宽度形成对比。
• 利用热冻结模型计算隐匿费米子的遗迹密度，表明当$g_X Q_X^\chi \sim g_2$ 时，其与WMAP约束一致。
• 利用暗物质晕剖面的$J$因子，计算银河系中心$\chi\bar{\chi} \to Z'\gamma$ 和$\gamma\gamma$ 过程产生的单色光子通量。
• 模拟对撞机信号：在LHC上模拟$pp \to Z' + \text{jet} \to \chi\bar{\chi} + \text{jet}$，在ILC上模拟$e^+e^- \to Z'\gamma \to \chi\bar{\chi} + \gamma$，对喷流和光子能量施加实际物理截断条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Stueckelberg $Z'$ 模型中，隐匿狄拉克费米子是否可作为具有与WMAP数据一致的遗迹密度的可行毫电荷暗物质候选者？
• RQ2 当$Z'$ 玻色子衰变为隐匿费米子对时，其对撞机信号特征为何，特别是大不可见宽度和单喷流/单光子信号？
• RQ3 未来伽马射线实验在多大程度上可探测到银河系中心$\chi\bar{\chi}$ 湮灭产生的单色伽马射线谱线？
• RQ4 引入非零隐匿当前如何影响$Z'$ 宽度及其从LEP和Tevatron数据获得的物理约束？
• RQ5 当$Z'$ 主要通过$\chi\bar{\chi}$ 湮灭衰变时，这对LHC和ILC上的搜索有何影响？

主要发现

• 由于与光子的混合，隐匿费米子获得毫电荷$\epsilon^\chi_\gamma / e \sim 10^{-3}$，使其成为可行的毫电荷暗物质候选者。
• 当$Z' \to \chi\bar{\chi}$ 动力学允许时，$Z'$ 具有约GeV量级的大的不可见宽度，显著提高了其在对撞机上的可探测性，优于窄宽度$Z'$ 模型。
• 当$g_X Q_X^\chi \sim g_2$ 时，隐匿费米子的遗迹密度与WMAP数据一致，表明其为可行的热暗物质候选者。
• 对于$m_\chi < 300\ \text{GeV}$，$\chi\bar{\chi} \to Z'\gamma$ 过程产生的单色光子通量可达$1.9 \times (\text{TeV}/m_\chi)^2 \times (10^{-14} - 10^{-13})\ \text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$，处于GLAST和HESS2的探测灵敏度范围内。
• 对于$m_{Z'} \sim 300\ \text{GeV}$ 和 $m_\chi \sim 60\ \text{GeV}$，LHC上的信号$pp \to Z' + \text{jet} \to \chi\bar{\chi} + \text{jet}$（单喷流+缺失能量）具有高于发现阈值的截面，具有可观测性。
• 对于$m_{Z'} \sim 300\ \text{GeV}$ 和 $\sqrt{s} = 1.5\ \text{TeV}$，ILC上的信号$e^+e^- \to Z'\gamma \to \chi\bar{\chi} + \gamma$ 在$E_\gamma > 10\ \text{GeV}$ 且 $\cos\theta_\gamma \in (-1,1)$ 条件下具有可探测的截面，是该模型的有力探测手段。