[论文解读] Portal Matter and Dark Sector Phenomenology at Colliders

Thomas G. Rizzo|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本文研究了门户物质（PM）粒子——一种携带标准模型与暗物质 sector 量子数的假设性重态粒子——其可实现暗光子与超荷规范 boson 之间的动能混合。研究表明，尽管此类 PM 状态可能超出 $e^+e^-$ 对撞机的直接探测能力，但可通过 LHC 上的圈图过程和树图衰变进行探测，且在有利参数区域，$h_{\text{SM}} \to ZVh_d$ 的分支比可达 1%。

ABSTRACT

If dark matter (DM) interacts with the Standard Model (SM) via the kinetic mixing (KM) portal, it necessitates the existence of massive, likely $\gsim 1$ TeV, enabler portal matter (PM) particles that carry both dark and SM quantum numbers which will appear in vacuum polarization-like loop graphs. Such heavy states are only directly accessible at high energy colliders and apparently lie at mass scales beyond the direct kinematic reach of the ILC, CEPC and FCC-ee. A likely possibility is that these new particles are part of the 'next step' toward a UV-complete scenario describing both the SM and dark sector physics. A simple and straightforward example of such a scenario involving a non-abelian dark sector gauge group is employed in this work to demonstrate some of the range expected from this new physics. Here we present a broad survey of existing analyses designed to explore the nature of such PM states in a array of collider contexts, particularly at the LHC, and point out some of the future directions where additional work is obviously required in the hunt for new signatures as well as in model building directions.

研究动机与目标

• 研究门户物质（PM）粒子在暗物质动能混合模型中的现象学影响。
• 识别 LHC 上 PM 状态的可行对撞机信号，特别是超越直接成对产生的信号。
• 探讨携带 SM 与暗物质 sector 量子数的 PM 场如何介导间接相互作用，并丰富暗物质模型的现象学内容。
• 评估通过圈图过程（如 $h_{\text{SM}} \to ZVh_d$ 和 $h_{\text{SM}} \to Zh_dV$）发现 PM 状态的潜力，特别是在非阿贝尔暗规范群的紫外完备场景中。
• 指出现有对撞机分析中的空白，并呼吁对 14 TeV LHC 上 PM 介导的信号进行更详细的模拟。

提出的方法

• 分析 PM 场在通过真空极化图生成 SM 超荷 $U(1)_Y$ 与暗 $U(1)_D$ 规范 boson 之间一阶圈图动能混合中的作用。
• 利用圈积分表达式 $\epsilon = c_w \frac{g_D g_Y}{24\pi^2} \sum_i \eta_i \frac{Y_i}{2} N_{c_i} Q_{D_i} \ln\frac{m_i^2}{\mu^2}$ 推导动能混合强度 $\epsilon$，其中 $\eta_i = 1$ 对费米子，$1/2$ 对标量。
• 考虑一个具有非阿贝尔暗规范群 $SU(2)_D$ 和暗 Higgs 体系的紫外完备模型，导致产生质量化的暗光子与重的 PM 状态。
• 评估树图衰变与圈图诱导衰变过程，如 $h_{\text{SM}} \to ZVh_d$ 与 $h_{\text{SM}} \to Zh_dV$，其振幅涉及虚 $Z^*$、$A^*$ 或 $H^*$ 交换。
• 对 $h_{\text{SM}} \to ZVh_d$ 进行分支比计算，显示当轻 $H$ 粒子质量 $m_H \lesssim 1$ GeV 时，分支比 $B \sim 0.1-1\%$，且对三线耦合 $\tilde{\lambda}$ 敏感并受破坏性干涉影响。
• 评估在 $h_{\text{SM}}$ 静止参考系中对重建的 $Z$ 玻色子能量进行运动学截断，以区分模型信号与 SM 背景的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 携带 SM 与暗物质 sector 量子数的门户物质（PM）粒子的关键对撞机信号是什么？
• RQ2 PM 状态如何在一阶圈图下实现暗光子与 SM 超荷规范 boson 之间的动能混合？
• RQ3 LHC 对通过圈图诱导的 Higgs 衰变（如 $h_{\text{SM}} \to ZVh_d$）探测 PM 的探测能力如何？
• RQ4 三线耦合 $\tilde{\lambda}$ 与质量差等模型参数如何影响 PM 介导过程的分支比？
• RQ5 ILC、FCC-ee 与 CEPC 等 $e^+e^-$ 对撞机在探测 PM 方面的局限性是什么？间接信号如何弥补这些不足？

主要发现

• 在可重整化模型中，动能混合的发生需要门户物质（PM）场的存在，其存在性由动能混合参数 $\epsilon$ 的观测微小性所暗示。
• 在紫外完备模型中，动能混合强度 $\epsilon$ 是有限且可计算的，典型值为 $10^{-4} - 10^{-3}$，前提是满足 $\sum_i \eta_i \frac{Y_i}{2} N_{c_i} Q_{D_i} = 0$。
• PM 状态可能质量较大（$\gtrsim 1$ TeV），因此难以被 ILC、CEPC 与 FCC-ee 等运行在 $\sqrt{s} \sim 240-380$ GeV 的 $e^+e^-$ 对撞机探测。
• LHC 是通过高多重末态（如 $h_{\text{SM}} \to ZVh_d$）直接探测 PM 的最可行对撞机，其分支比在有利参数区域可高达 1%。
• 过程 $h_{\text{SM}} \to ZVh_d$ 可能因 $\alpha_{\text{em}}/m_Z^2$ 或圈图级 $\gamma \to V$ 转换而受到双重抑制，但若 $\tilde{\lambda}$ 较大且干涉为建设性，则仍可观测。
• 在 $h_{\text{SM}}$ 静止参考系中对 $Z$ 玻色子能量分布施加运动学截断，有助于将模型信号与 SM 背景分离，尤其当分支比为 $\sim 0.1-1\%$ 时。