[论文解读] Impact of Mass Generation for Simplified Dark Matter Models

Nicole F. Bell, Yi-Fu Cai+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文表明，在简化的暗物质模型中，质量生成机制对允许的相互作用类型具有决定性影响，规范对称性限制了矢量和轴矢量耦合仅能通过自旋-1媒介子实现。当单一暗希格斯场赋予所有暗物质场质量时，必须存在非零的轴矢量耦合；否则，仅允许纯矢量耦合，若违反这些限制将导致单位性破坏。这两种媒介子情景产生了单媒介子模型无法捕捉的、在遗迹密度和间接探测中表现不同的现象学特征。

ABSTRACT

In the simplified dark matter models commonly studied, the mass generation mechanism for the dark fields is not typically specified. We demonstrate that the dark matter interaction types, and hence the annihilation processes relevant for relic density and indirect detection, are strongly dictated by the mass generation mechanism chosen for the dark sector particles, and the requirement of gauge invariance. We focus on the class of models in which fermionic dark matter couples to a spin-1 vector or axial-vector mediator. However, in order to generate dark sector mass terms, it is necessary in most cases to introduce a dark Higgs field and thus a spin-0 scalar mediator will also be present. In the case that all the dark sector fields gain masses via coupling to a single dark sector Higgs field, it is mandatory that the axial-vector coupling of the spin-1 mediator to the dark matter is non-zero; the vector coupling may also be present depending on the charge assignments. For all other mass generation options, only pure vector couplings between the spin-1 mediator and the dark matter are allowed. If these coupling restrictions are not obeyed, unphysical results may be obtained such as a violation of unitarity at high energies. These two-mediator scenarios lead to important phenomenology that does not arise in single mediator models. We survey two-mediator dark matter models which contain both vector and scalar mediators, and explore their relic density and indirect detection phenomenology.

研究动机与目标

• 研究暗物质领域中不同质量生成机制如何影响简化暗物质模型中允许的相互作用类型。
• 识别由规范对称性和单位性约束导致的自旋-1媒介子与矢量和轴矢量耦合之间的限制。
• 证明若忽略质量生成机制的影响，单媒介子简化模型可能在物理上不一致。
• 探索包含矢量和标量媒介子的双媒介子模型在遗迹密度和间接探测方面的现象学后果。
• 表明采用单一暗希格斯场进行质量生成的模型必须具有非零的轴矢量耦合，而其他机制则限制为纯矢量耦合。

提出的方法

• 分析三种不同暗物质领域质量生成机制（Stueckelberg、裸质量、暗希格斯）的含义。
• 应用规范对称性和单位性约束，推导出费米子型暗物质与自旋-1媒介子之间矢量和轴矢量耦合的选择规则。
• 构建包含自旋-1（矢量或轴矢量）和自旋-0（标量）媒介子的双媒介子模型，其来源于共同的暗希格斯场。
• 推导出如 χχ → Z′Z′ 和 χχ → sZ′ 等过程的精确s波湮灭截面，完整依赖于规范和 Yukawa 耦合。
• 利用规范耦合与 Yukawa 耦合之间的关系（gχ ∝ yχ）以确保与希格斯机制和单位性的自洽性。
• 比较不同情景下的现象学特征：(I) 裸质量 + 纯矢量，(II) 暗希格斯场同时具有两种耦合，(III) 暗希格斯场仅具有矢量耦合，(IV) 暗希格斯场仅具有轴矢量耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 暗物质领域中质量生成机制的选择如何影响暗物质与其媒介子之间允许的相互作用类型？
• RQ2 在具有质量自旋-1媒介子的模型中，规范对称性和单位性对矢量和轴矢量耦合有何约束？
• RQ3 为何当忽略质量生成机制时，单媒介子简化模型无法捕捉真实的物理现象？
• RQ4 在同时包含矢量和标量媒介子的双媒介子模型中，会涌现出哪些新的间接探测和遗迹密度信号？
• RQ5 在何种条件下，为与暗希格斯机制保持一致，必须存在自旋-1媒介子与暗物质之间的非零轴矢量耦合？

主要发现

• 当所有暗物质领域场通过单一暗希格斯场获得质量时，自旋-1媒介子与暗物质之间必须存在非零的轴矢量耦合以保证规范对称性。
• 在所有其他质量生成情景中（如 Stueckelberg 或裸质量），自旋-1媒介子与暗物质之间仅允许纯矢量耦合。
• 违反这些耦合限制将在高能下导致单位性破坏，使模型失去物理意义。
• 同时存在矢量和标量媒介子可开启新的s波湮灭通道，如 χχ → Z′Z′ 和 χχ → sZ′，这些在单媒介子模型中是不存在的。
• 当仅一个耦合（Q_A 或 Q_V）非零时，χχ → Z′Z′ 的s波截面随 1/mχ² 变化；但当两者均非零时，由于纵向 Z′ 贡献，截面随 1/mZ′² 变化。
• χχ → sZ′ 的完整截面非平凡地依赖于 Q_A、Q_V 和 Q_S，所有情景下的显式解析表达式已在附录中推导。