[论文解读] Non-Abelian gauge fields as dark matter

Christian Groß, Oleg Lebedev+1 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 12被引用 5

一句话总结

本文提出，来自隐藏 SU(N) 规范群——特别是 U(1)、SU(2) 和 SU(3)——的大量非阿贝尔规范玻色子可作为可行的弱相互作用大质量粒子（WIMP）暗物质候选者。通过标量真空期望值（VEVs）的自发对称性自发破缺以及固有的离散对称性（例如 U(1) 的 Z₂，SU(2) 的 Z₂×Z₂′），规范玻色子得以稳定，并通过希格斯门户与标准模型弱耦合。关键结果是，此类矢量暗物质候选者自然重现了观测到的遗迹丰度，并与直接/间接探测约束一致。

ABSTRACT

SU(N) Lie algebras possess discrete symmetries which can lead naturally to stable vector dark matter (DM). In this work, we consider the possibility that the dark SU(N) sector couples to the visible sector through the Higgs portal. We find that minimal CP-conserving hidden `Higgs sectors' entail stable massive gauge fields which fall into the WIMP category of dark matter candidates. For SU(N), N>2, DM consists of three components, two of which are degenerate in mass. In all of the cases, there are substantial regions of parameter space where the direct and indirect detection as well as relic abundance constraints are satisfied.

研究动机与目标

• 探讨来自隐藏 U(1)、SU(2) 和 SU(3) 规范群的大量规范玻色子是否可作为可行的 WIMP 类型暗物质候选者。
• 识别稳定大量规范玻色子免于衰变的离散规范对称性（例如 Z₂、Z₂×Z₂′）。
• 研究此类暗物质候选者的现象学，包括遗迹丰度、直接探测、间接探测以及希格斯混合。
• 将该框架推广至任意 SU(N) 规范群，并分析标量 VEV 在决定规范玻色子质量与耦合中的作用。

提出的方法

• 构建一个包含 SU(N) 规范场和标量多重态的隐藏 sector 拉格朗日量，这些标量多重态通过获得真空期望值（VEVs）使规范玻色子通过希格斯机制获得质量。
• 识别稳定大量规范玻色子的离散对称性（例如 U(1) 的宇称共轭，SU(2) 的 Z₂×Z₂′），以防止其衰变。
• 通过引入希格斯门户耦合 $ \mathcal{L}_{\text{portal}} = -\lambda_{h\phi} |H|^2 |\phi|^2 $，实现暗物质 sector 与标准模型希格斯场之间的相互作用。
• 使用 micrOMEGAs 4.1.8 计算暗物质的遗迹丰度，并通过希格斯交换评估直接与间接探测信号。
• 推导并分析非微分规范-标量耦合 $ \tilde{A}_\mu^a \tilde{A}^{\mu b} \tilde{\varphi}^i \tilde{\varphi}^j $ 和 $ \tilde{A}_\mu^a \tilde{A}^{\mu b} \tilde{\varphi}^i $，针对 SU(3)，显示其对 VEVs $ v_1, v_2 $ 的依赖性。
• 对 SU(3) 通过张量场和标量三重态实现的破缺进行详细分析，采用 $ Z_2 \times Z_2' $ 对称性，包括质量与耦合结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 隐藏 sector 中的大量 SU(N) 规范玻色子能否作为具有正确遗迹丰度的可行 WIMP 暗物质候选者？
• RQ2 在非阿贝尔隐藏规范中，哪些离散对称性稳定了大量规范玻色子？它们与 U(1) 情况有何不同？
• RQ3 在 SU(3) 模型中，规范-标量耦合与质量如何依赖于标量场的 VEV，特别是当 VEV 不相等时？
• RQ4 此类矢量暗物质的直接与间接探测信号是什么？它们与实验约束相比如何？
• RQ5 希格斯门户耦合如何介导与标准模型的相互作用？它对混合角与标量质量施加了何种约束？

主要发现

• 大量 U(1) 规范玻色子通过对应于宇称共轭的 $ Z_2 $ 对称性稳定，使其成为可行的暗物质候选者。
• SU(2) 暗物质通过 $ Z_2 \times Z_2' $ 对称性稳定，其中第二个 $ Z_2 $ 保护矢量玻色子免受三线规范顶点中宇称破坏的影响。
• 对于 SU(3)，该模型表现出与 SU(2) 类似的现象学行为，但多个 VEV（$ v_1, v_2 $）的存在导致更复杂的质量与耦合结构，尤其在 $ v_3 = 0 $ 时更为显著。
• 矢量暗物质的遗迹丰度在热冻结过程中自然重现，与观测到的暗物质密度一致。
• 由于希格斯交换与混合导致直接探测截面被抑制，混合角 $ \theta $ 受 LEP 与 LHC 数据约束，满足 $ \sin\theta \lesssim 0.3 $，当 $ m_{h_2} \sim \text{TeV} $ 时。
• SU(3) 模型表明，非微分规范-标量耦合依赖于比值 $ \sqrt{v_1^2 + v_2^2}/v_1 $，导致非统一耦合，从而影响衰变道与探测率。