[论文解读] Probing the explanation of the muon (g-2) anomaly and thermal light dark matter with the semi-visible dark photon channel

NA64 Collaboration, P. Odagiu+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 40被引用 26

一句话总结

本文提出了一种半可见暗光子（A′）衰变道 A′ → χ₁χ₂，随后 χ₂ → χ₁e⁺e⁻，以同时解释μ子（g-2）异常和热暗物质丰度。通过对NA64实验数据的全面重新分析，该研究在90%置信水平下排除了 mA′ < 0.39 GeV 且 ε 介于 3×10⁻⁵ 至 2×10⁻² 之间的参数空间，覆盖了（g-2）异常与暗物质丰度带的显著区域。

ABSTRACT

We report the results of a search for a new vector boson ($A'$) decaying into two dark matter particles $\chi_1 \chi_2$ of different mass. The heavier $\chi_2$ particle subsequently decays to $\chi_1$ and $A' o e^- e^+$. For a sufficiently large mass splitting, this model can explain in terms of new physics the recently confirmed discrepancy observed in the muon anomalous magnetic moment at Fermilab. Remarkably, it also predicts the observed yield of thermal dark matter relic abundance. A detailed Monte-Carlo simulation was used to determine the signal yield and detection efficiency for this channel in the NA64 setup. The results were obtained re-analyzing the previous NA64 searches for an invisible decay $A' o \chi \overline{\chi}$ and axion-like or pseudo-scalar particles $a o \gamma \gamma$. With this method, we exclude a significant portion of the parameter space justifying the muon g-2 anomaly and being compatible with the observed dark matter relic density for $A'$ masses from 2$m_e$ up to 390 MeV and mixing parameter $\epsilon$ between $3 imes10^{-5}$ and $2 imes10^{-2}$.

研究动机与目标

• 探索一种暗光子 A′ 的半可见衰变道，该衰变道可同时解释μ子（g-2）异常与观测到的热暗物质丰度。
• 改进对具有伪狄拉克暗物质态及与标准模型光子动力学混合的U(1)D暗规范场理论模型参数空间的实验约束。
• 重新分析在'不可见模式'下收集的NA64实验数据，以寻找 A′ → χ₁χ₂(χ₂ → χ₁e⁺e⁻) 的信号，结合了可见与不可见衰变模式的特征。
• 评估NA64实验对该模型的探测灵敏度，并预测通过优化探测器构型可实现的未来灵敏度提升。
• 识别并排除此前未被探索的、与（g-2）异常及观测到的暗物质丰度相容的参数空间区域。

提出的方法

• 采用U(1)D规范对称性，通过暗希格斯场 hD 的自发对称性自发破缺，产生具有与标准模型光子动力学混合 ε 的大质量暗光子 A′。
• 引入一个在U(1)D下带电的伪狄拉克费米子场 Ψ，对称性破缺后产生两个暗物质本征态：一个轻的稳定态 χ₁ 和一个较重的亚稳态 χ₂，其质量差为 ∆ = mχ₂ − mχ₁。
• 使用有效拉格朗日量（公式1）描述相互作用，其中 χ₂ 与 A′ 之间存在非对角耦合 gD，A′ 与标准模型电子之间存在 εe 耦合。
• 利用MadGraph5aMC@NLO的MadWidth模块计算三体衰变宽度 Γ(χ₂ → χ₁e⁺e⁻)，获得带校正因子 K ≈ 0.640 ± 0.004 的修正公式（公式2）。
• 在NA64探测器设置下，对信号过程进行完整的蒙特卡罗模拟，包括探测器响应、重建效率及所有系统不确定性。
• 对三轮运行中以'不可见模式'收集的现有NA64数据进行全面重新分析，提取在 (mA′, ε)、(mA′, αD) 和 (mχ₁, ∆/mχ₁) 平面上的90%置信水平排除限。

实验结果

研究问题

• RQ1 半可见衰变道 A′ → χ₁χ₂(χ₂ → χ₁e⁺e⁻) 是否能够同时解释μ子（g-2）异常与观测到的热暗物质丰度？
• RQ2 该模型的参数空间实验限制为何，特别是当 A′ 质量低于 0.39 GeV 且混合参数 ε 落于 3×10⁻⁵ 至 2×10⁻² 范围内时？
• RQ3 衰变宽度与 ∆⁵ 成比例的缩放关系如何影响短寿命 χ₂ 粒子的可探测性，对未来灵敏度有何影响？
• RQ4 NA64实验在多大程度上排除了此前未被探索的、与（g-2）异常及暗物质丰度相容的参数空间区域？
• RQ5 通过采用紧凑型HCAL1并提高EOT（靶上电子数）以探测短寿命χ₂衰变，灵敏度可实现哪些提升？

主要发现

• NA64实验在90%置信水平下，排除了质量高达 0.39 GeV 的 A′ 所在参数空间中，能够同时解释μ子（g-2）异常与热暗物质丰度的显著区域。
• 该分析在先前未被覆盖的参数空间区域中实现了改进，特别是当 mA′ ≲ 0.39 GeV 且 ε ∈ [3×10⁻⁵, 2×10⁻²] 时，假设 αD = 0.1 且 ∆/mχ₁ = 0.4。
• 当 mA′ ≳ 0.3 GeV 时，该模型在（g-2）异常的中心区域被排除，表明仅当 mA′ > 0.4 GeV 或质量分裂 ∆ 较大时，模型才可能保持可行。
• 由于衰变宽度中 ∆⁵ 的依赖关系，当 ∆/mχ₁ ≳ 0.5 时，信号产额呈指数抑制，导致大质量分裂下探测变得越来越不可能。
• 在 5×10¹² EOT 和 50 cm 的紧凑型HCAL1配置下，实验的灵敏度将仅受极大 ∆/mχ₁ 值的限制，表明未来运行中可实现对物理上感兴趣的区域的完全覆盖。
• 本研究证明，NA64探测器对半可见衰变具有探测灵敏度，且紧凑型探测器构型可完全探测与（g-2）异常及暗物质丰度相容的可行参数空间。