[论文解读] Phenomenological Constraints on Anomaly-Free Dark Matter Models

John Ellis, Malcolm Fairbairn+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本文研究了具有Z'规范玻色子的无异常U(1)'暗物质模型，重点分析了来自XENON1T直接探测、LHC单胶硬喷注和二轻子搜寻以及电弱精确测量的唯象约束。研究发现，当$ m_\chi \simeq M_{Z'}/2 $时存在狭窄的允许区域，尤其在矢量型和轻子禁闭模型中，而轴向耦合则被广泛排除；尽管约束严格，仍存在可逃避当前实验限制的可行参数空间。

ABSTRACT

We study minimal benchmark models of dark matter with an extra anomaly-free U(1)' gauge boson Z'. We find model parameters that give rise to the correct cosmological dark matter density while evading the latest direct detection searches for dark matter scattering produced by the XENON1T experiment, including the effects of Z-Z' mixing. We also find regions of parameter space that evade the constraints from LHC measurements of dileptons and dijets, precision electroweak measurements, and LHC searches for monojet events with missing transverse energy. We study two benchmark Z' models with Y-sequential couplings to quarks and leptons, one with a vector-like coupling to the dark matter particle and one with an axial dark matter coupling. The vector-like model is extremely tightly constrained, with only a narrow allowed strip where $m_χ\simeq M_{Z'}/2$, and the axial model is excluded within the parameter range studied. We also consider two leptophobic Z$^\prime$ benchmark models, finding again narrow allowed strips where $m_χ\simeq M_{Z'}/2$ as well as more extended regions where $\log_{10} (m_χ/ { m GeV}) \gtrsim 3.2$.

研究动机与目标

• 识别满足宇宙学剩余密度且避开直接探测约束的无异常U(1)'暗物质模型中Z'规范玻色子的可行参数区域。
• 评估来自LHC对二轻子、二胶子和带有缺失横向动量的单胶硬喷注事件的搜寻所施加的约束。
• 通过S和T参数以及ρ参数评估电弱精确测量的约束，特别关注Z–Z'混合的影响。
• 比较矢量型与轴向暗物质耦合，以及Y-顺序与轻子禁闭Z'耦合在唯象可行性上的差异。
• 通过在MadGraph中使用重标度方法重新诠释LHC单胶硬喷注搜寻，验证其与已发表的ATLAS结果的一致性。

提出的方法

• 构建包含U(1)'规范玻色子Z'的最小无异常暗物质模型，其中Z'通过与代无关的耦合与夸克和轻子相互作用。
• 通过动力学混合和质量混合项引入Z–Z'混合，混合角ξ由混合矩阵推导得出，并在低质量Z'区域使用ρ参数。
• 通过建模Z'交换引起的暗物质-核子散射，应用来自XENON1T直接探测的约束，包括Z–Z'混合的影响。
• 使用MadGraph中的重标度程序重新诠释ATLAS 36.1 fb⁻¹单胶硬喷注搜寻结果，将排除因子μ计算为Z'质量与宽度的函数。
• 利用S和T参数约束Z'对电弱精确可观测量的贡献，对$ M_{Z'} < \sqrt{2} M_Z $区域使用ρ参数。
• 评估来自LHC数据的二轻子共振约束，特别关注对带电轻子有耦合的模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无异常Z'暗物质模型中，哪些参数区域满足观测到的暗物质剩余密度，同时避开XENON1T直接探测约束？
• RQ2 带有缺失横向动量的LHC单胶硬喷注搜寻如何约束矢量型与轴向暗物质模型中Z'的质量与耦合？
• RQ3 S、T和ρ参数等电弱精确测量在多大程度上限制了Z'模型的可行参数空间？
• RQ4 Y-顺序与轻子禁闭Z'耦合在当前实验约束下，其唯象可行性有何不同？
• RQ5 使用重标度方法在MadGraph中重新诠释LHC单胶硬喷注搜寻，能否准确再现已发表的排除极限？结果对Z'宽度与耦合的敏感度如何？

主要发现

• 矢量型暗物质耦合模型受到严格约束，仅在$ m_\chi \simeq M_{Z'}/2 $附近存在狭窄的可行区域，主要由于直接探测和LHC搜寻的强限制。
• 轴向暗物质耦合模型在整个研究参数范围内被排除，主要由于XENON1T和LHC单胶硬喷注搜寻的严格约束。
• 轻子禁闭Z'模型允许更广阔的可行参数空间，包括在$ m_\chi \simeq M_{Z'}/2 $处的狭窄条带，以及另一区域满足$ \log_{10}(m_\chi / \text{GeV}) \gtrsim 3.2 $。
• LHC单胶硬喷注搜寻对高能Z'（IM9区域，$ E_{T,\text{miss}} > 800 $ GeV）最敏感，而低质量Z'则主要受IM1区域（$ E_{T,\text{miss}} > 250 $ GeV）约束。
• 使用MadGraph中重标度方法重新诠释LHC单胶硬喷注搜寻的结果成功再现了已发表的ATLAS结果，验证了该方法的有效性。
• 在轻子禁闭模型中，动力学混合在圈图级别生成，但在100 TeV能标下保守设为零，并通过对数跑动至较低能标。