[论文解读] Scalar technibaryon Dark Matter from vector-like SU(2) Technicolor

Roman Pasechnik, Vitaly Beylin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

该论文提出在矢量型 $SU(2)_{\text{TC}}$ 脚本色模型中，最轻的标量技术介子 $B^0 = UD$ 作为质量接近 1 TeV 的可行暗物质候选者。由于其与 $Z$ 玻色子的树图矢量耦合为零，该候选者避开了直接探测约束，而主导的自旋无关散射通过树图希格斯交换实现，且 LUX 实验数据对该 $m_{\tilde{\pi}} \ll \Lambda_{\text{TC}}$ 层次结构的约束是一致的。

ABSTRACT

In this article, we investigate a potential of the lightest scalar technibaryon state $B^0=UD$ with mass $m_B\sim 1$ TeV naturally predicted by the consistent vector-like $SU(2)_{ m TC}$ two-flavor Technicolor model as a Dark Matter (DM) candidate. The $SU(2)_{ m TC}$ gauge dynamics enables to construct Diract techniquark in confinement from the original chiral multiplets, naturally leading to vector-like nature of weak interactions. We show that two different scenarios with the technibaryon relic abundance formation before and after the electroweak (EW) phase transition epoch lead to symmetric (or mixed) and asymmetric DM, respectively. Such a DM candidate evades existing direct DM detection constraints since its vector coupling to $Z$ boson absents at tree level, while one-loop gauge boson mediated contribution is shown to be vanishingly small close to the threshold. The dominating spin-independent (SI) technibaryon-nucleon scattering goes via tree-level Higgs boson exchange in the $t$-channel. The corresponding bound on the effective technibaryon-Higgs coupling has been extracted from the LUX data and turns out to be consistent with naive expectations from $m_{ ilde \pi}\ll \Lambda_{ m TC}$ scale hierarchy. The latter provides the most stringent constraint to strongly-coupled $SU(2)_{ m TC}$ dynamics so far. Future prospects for direct and indirect scalar T-baryon DM searches in astrophysics as well as in collider measurements have been discussed.

研究动机与目标

• 探索在一致的矢量型 $SU(2)_{\text{TC}}$ 两味脚本色模型中，最轻的标量技术介子 $B^0 = UD$ 作为暗物质候选者的可行性。
• 分析技术介子暗物质在电弱相变之前和之后两种不同宇宙学情景下的遗迹丰度形成机制。
• 评估该模型与现有直接探测约束的兼容性，特别是来自 LUX 实验的约束。
• 推导对技术介子-希格斯耦合的约束，并得出迄今为止最严格的强 $SU(2)_{\text{TC}}$ 动力学尺度界限。

提出的方法

• 通过 $SU(2)_{\text{TC}}$ 规范理论中的束缚作用，从手征多重态构建狄拉克技术夸克，确保弱相互作用为矢量型。
• 分析技术介子的宇宙学演化，以确定其遗迹丰度是源于对称还是非对称冻结，具体取决于相变发生的时间。
• 评估技术介子-$Z$ 耦合的树图与单圈图贡献，表明后者在阈值附近可忽略。
• 利用有效场论技术，计算通过 $t$-通道希格斯交换的自旋无关技术介子-核子散射振幅。
• 应用 LUX 直接探测数据约束有效技术介子-希格斯耦合，假设满足 $m_{\tilde{\pi}} \ll \Lambda_{\text{TC}}$ 层次结构。
• 评估未来直接探测、间接探测及对撞机探测对标量技术介子暗物质的前景。

实验结果

研究问题

• RQ1 质量约为 1 TeV 的最轻标量技术介子 $B^0 = UD$ 是否可在矢量型 $SU(2)_{\text{TC}}$ 脚本色模型中作为可行的暗物质候选者？
• RQ2 电弱相变的时间如何影响遗迹丰度的形成，导致对称或非对称暗物质？
• RQ3 尽管与希格斯玻色子具有显著耦合，为何该技术介子能避开直接探测约束？
• RQ4 基于 LUX 实验对技术介子-希格斯耦合的测量，该研究得出的关于 $SU(2)_{\text{TC}}$ 动力学尺度的最严格约束是什么？
• RQ5 未来通过直接探测、间接探测或对撞机实验探测标量技术介子暗物质的前景如何？

主要发现

• 质量约为 1 TeV 的标量技术介子 $B^0 = UD$ 在矢量型 $SU(2)_{\text{TC}}$ 脚本色模型中是可行的暗物质候选者，其自然来源于狄拉克技术夸克的束缚。
• 两种不同的宇宙学情景——电弱相变之前与之后——分别导致对称与非对称暗物质，具体取决于冻结机制。
• 该技术介子无树图矢量耦合至 $Z$ 玻色子，且单圈贡献在阈值附近可忽略，解释了其避开直接探测约束的原因。
• 与核子的主导自旋无关散射通过 $t$-通道中的树图希格斯交换实现，使其成为主要相互作用通道。
• LUX 数据将有效技术介子-希格斯耦合约束在与 $m_{\tilde{\pi}} \ll \Lambda_{\text{TC}}$ 尺度层次结构一致的范围内，提供了迄今为止对 $SU(2)_{\text{TC}}$ 动力学尺度最严格的界限。
• 未来直接探测、间接探测及对撞机实验在探测或发现标量技术介子暗物质候选者方面具有强大潜力。