[论文解读] Leptoquark manoeuvres in the dark : a simultaneous solution of the dark matter problem and the RD(∗) anomalies

G. Bélanger, Aoife Bharucha+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 85被引用 2

一句话总结

该论文提出一种标量轻子数子（S1）作为统一媒介子，同时解释由LHCb、Belle和BaBar实验观测到的B介子衰变中轻子味 universality 的破坏（RD(∗)异常），并通过一个隐藏规范场论提供可行的暗物质候选。该模型包含一个由Z₂对称性保护的稳定暗物质粒子χ₀，S1介导标准模型与暗物质 sector 之间的相互作用。关键结果表明，直接探测约束和原初丰度计算对轻子数子-暗物质 sector 耦合敏感，且可通过标准冻结机制与转换驱动冻结机制实现正确的原初丰度。大型强子对撞机（LHC）搜索，尤其是混合末态，对检验该模型起着关键作用。

ABSTRACT

The measured branching fractions of $B$-mesons into leptonic final states derived by the LHCb collaboration hint towards the breakdown of lepton flavour universality. In this work we take at face value the so-called $R_{D^{(*)}}$ observables that are defined as the ratios of neutral $B$-meson charged-current decays into a charged $D$-meson, a charged lepton and a neutrino final state in the tau and muon channels. A well-studied and simple solution to this charged current anomaly is to introduce a scalar leptoquark $S_1$ that couples to the second and third generation of fermions. We investigate how $S_1$ can also serve as a mediator between the Standard Model and a dark sector. We study this scenario in detail and estimate the constraints arising from collider searches for leptoquarks, collider searches for missing energy signals, direct detection experiments and the dark matter relic abundance. We stress that the production of a pair of leptoquarks that decays into different final states (i.e. the commonly called "mixed" channels) provides critical information for identifying the underlying dynamics, and we exemplify this by studying the $t τb ν$ and the resonant $S_1$ plus missing energy channels. We find that direct detection data provides non-negligible constraints on the leptoquark coupling to the dark sector, which in turn affects the relic abundance. We also show that the correct relic abundance can not only arise via standard freeze-out, but also through conversion-driven freeze-out. We illustrate the rich phenomenology of the model with a few selected benchmark points, providing a broad stroke of the interesting connection between lepton flavour violation and dark matter.

研究动机与目标

• 为解决长期存在的B介子衰变中轻子味 universality 破坏问题，该问题由LHCb、Belle和BaBar实验观测到的RD(∗)异常所指示。
• 在单一理论框架内统一该异常的解释与可行的暗物质候选。
• 探讨通过轻子数子介导的与暗物质 sector 的相互作用如何影响对撞机约束、直接探测信号以及暗物质的原初丰度。
• 证明正确的暗物质原初丰度不仅可通过标准热冻结机制，也可通过转换驱动冻结机制实现。

提出的方法

• 引入一个具有右手中微子量子数的标量轻子数子S1，通过与第二代和第三代费米子耦合，解释RD(∗)异常。
• 假设一个包含两个新粒子的暗物质 sector：一个稳定的暗物质候选χ₀，以及一个具有色荷且寿命较长的χ₁，二者均与S1耦合。
• 利用有效场论和一阶圈图计算，通过t通道χ₀–χ₁交换及S1介导的圈图，推导自旋无关的暗物质-核子散射截面。
• 应用玻尔兹曼方程模拟χ₀和χ₁的热演化过程，包括湮灭与转换过程，并在MicrOMEGAs中自定义实现转换驱动冻结机制。
• 重新解释LHC的缺失能量与轻子数子搜索结果（如CMS b/c+MET、ATLAS单喷注、共振S1+MET）以约束该模型。
• 评估直接探测实验与原初丰度计算的约束，同时纳入标准与转换驱动冻结机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一的标量轻子数子能否同时解释RD(∗)异常并提供可行的暗物质候选？
• RQ2 对撞机搜索——特别是涉及混合末态（如tτbν或共振S1+MET）的搜索——如何影响该模型的可行参数空间？
• RQ3 对轻子数子-暗物质 sector 耦合的直接探测约束在多大程度上影响暗物质的原初丰度？
• RQ4 除了标准热冻结机制外，能否通过其他机制（如转换驱动冻结）实现正确的暗物质原初丰度？
• RQ5 轻子数子与标准模型及暗物质 sector 的耦合之间的相互作用，如何共同塑造该模型在对撞机、天体物理与宇宙学探测中的现象学特征？

主要发现

• 该模型通过标量轻子数子S1与第三和第二代费米子耦合，成功解释了RD(∗)异常，与当前LHCb、Belle和BaBar实验数据一致。
• 混合轻子数子衰变道（如tτbν和共振S1+MET）提供了识别其动力学机制的关键信号，高亮度LHC（HL-LHC）有望探测该参数空间的显著部分。
• 直接探测实验对轻子数子与暗物质 sector 耦合施加了不可忽视的约束，而该耦合又反过来影响暗物质的原初丰度。
• 正确的暗物质原初丰度不仅可通过标准冻结机制，也可通过转换驱动冻结机制实现，其中χ₁衰变为χ₀显著改变了热历史。
• 对撞机约束（特别是缺失能量与共振S1+MET搜索）与直接探测限制之间的相互作用，强烈塑造了可行参数空间，尤其在低质量暗物质与弱轻子数子-暗物质 sector 耦合区域。
• 基准点展示了丰富的现象学特征，表明该模型可同时满足味物理、暗物质原初丰度、直接探测与对撞机搜索的约束。