[论文解读] Hidden Photons in beam dump experiments and in connection with Dark Matter

Sarah Andreas|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文基于过去在KEK和Orsay进行的电子束对撞实验，提出了对隐藏光子的新实验限制，扩展了MeV–GeV质量范围内的约束。此外，研究进一步探讨了包含隐藏光子和暗物质的隐秘规范模型，表明狄拉克费米子暗物质可产生与直接探测信号一致的自旋无关散射，而马约拉纳费米子则表现出自旋依赖的相互作用，受当前实验约束较少。

ABSTRACT

Hidden sectors with light extra U(1) gauge bosons, so-called hidden photons, recently received much interest as natural feature of beyond standard model scenarios like string theory and SUSY and because of their possible connection to dark matter. This paper presents limits on hidden photons from past electron beam dump experiments including two new limits from experiments at KEK and Orsay. Additionally, various hidden sector models containing both a hidden photon and a dark matter candidate are discussed with respect to their viability and potential signatures in direct detection.

研究动机与目标

• 从过去的电子束对撞实验中推导出对隐藏光子的最新实验约束，包括来自KEK和Orsay的新限制。
• 在宇宙学和天体物理学观测的背景下，评估包含隐藏光子和暗物质候选者的隐秘规范模型的可行性。
• 研究具有隐藏光子的模型中暗物质的直接探测现象学，特别关注自旋无关和自旋依赖散射截面。
• 探讨不同对称性破缺机制的超对称隐秘规范模型如何产生可观测信号的可行暗物质候选者。
• 确定此类模型是否能调和异常的μ子磁矩与CoGeNT等实验报告的直接探测信号。

提出的方法

• 利用隐藏光子与普通光子之间的动能混合作为通往可见物质的主通道，以小混合参数χ参数化。
• 应用蒙特卡洛模拟（如MadGraph）来模拟电子束对撞中隐藏光子的发射，考虑能量损失和角度分布。
• 使用涉及束流能量、电子质量及形式因子的截面公式估算可观测事例率，其受指数衰减长度的抑制。
• 结合探测器接受度和分支比（如e⁺e⁻、μ⁺μ⁻）计算可探测的信号率。
• 构建一个简易模型及具有手征超多重态和隐藏U(1)规范对称性的超对称模型，通过希格斯-门户和规范-门户相互作用分析遗迹密度和直接探测。
• 在暗物质质量与耦合参数κ的参数空间中进行扫描，以识别满足正确遗迹丰度和直接探测约束的区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于KEK和Orsay束对撞实验，隐藏光子质量与动能混合参数χ的最新实验限制是什么？
• RQ2 包含隐藏光子和暗物质候选者的隐秘规范模型能否重现正确的遗迹丰度，并解释CoGeNT等实验的直接探测信号？
• RQ3 不同的隐藏规范对称性破缺机制（Fayet-Iliopoulos项与辐射破缺）如何影响暗物质现象学与直接探测截面？
• RQ4 自旋无关与自旋依赖散射在决定狄拉克与马约拉纳费米子暗物质候选者可行性方面起什么作用？
• RQ5 具有引力介导的超对称隐秘规范模型在多大程度上能提供具有直接探测可观测信号的可行暗物质候选者？

主要发现

• 基于KEK和Orsay束对撞实验的数据，建立了MeV–GeV质量范围内隐藏光子的动能混合参数χ的新限制。
• 在简易模型中，狄拉克费米子暗物质候选者实现了正确的遗迹丰度，并表现出与CoGeNT直接探测信号一致的自旋无关散射截面。
• 在由可见 sector 引起的对称性破缺的超对称模型中，狄拉克费米子DM候选者也表现出自旋无关散射，可解释直接探测异常。
• 马约拉纳费米子DM候选者虽以自旋依赖散射为主，但仍具可行性且与当前直接探测限制一致，尤其在辐射破缺的隐秘规范中。
• 希格斯-门户耦合使马约拉纳费米子实现自旋无关散射，但截面比当前实验极限小几个数量级。
• 参数扫描的散点图显示，在满足遗迹密度与直接探测约束的DM质量–耦合参数空间中存在可行区域，尤其在具有引力介导的模型中。