[论文解读] The $B$ Anomalies, the $U_1$ Leptoquark and Dark Matter

G. Bélanger, Jacky Kumar+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 74被引用 4

一句话总结

本文提出一个统一模型，其中一个U1规范轻子数Higgs玻色子（leptoquark）解释B介子衰变异常，并在标量单重态暗物质模型（SSDMM）中介导暗物质（DM）相互作用。通过引入U1-DM耦合，该模型增强了通过SS → U1Ū1过程的暗物质湮灭，并生成了受量子修正的SSgg和SSγγ耦合，从而放松了对暗物质质量和耦合常数的约束。关键结果表明，SSDMM在更轻的暗物质质量下（低至~1.3 TeV）依然可行，且对更重的暗物质可避免非微扰耦合，未来间接探测实验可对这一模型进行检验。

ABSTRACT

The present-day $B$-anomalies involving $b o s \mu^+ \mu^-$ or $b o c au^- {\bar u}$ transitions can all be explained with the addition of a vector $U_1$ leptoquark with a mass of $M_{U_1} \ge 1.8$ TeV. In the scalar singlet dark matter model (SSDMM), the DM is a scalar $S$ that couples to the Higgs via $\lambda_{hS} \, S^2|H|^2$. We update the fit to the data and find that the SSDMM is now viable only for $M_S \ge 1.6$ TeV. In this paper, we assume that the DM also couples to the $U_1$ via $\lambda_{U_1 S} \, S^2 \, U_{1\mu}^{\dagger} U^{\mu}_1$. In addition to leading to DM annihilation via $S S o U_1 {\bar U}_1$, this coupling generates $SSgg$ and $SS\gamma\gamma$ couplings at one loop. Although naively divergent, these loop diagrams can be calculated under the assumption that the $U_1$ is a gauge boson of a group broken at the TeV scale. With this DM-$U_1$ coupling term, there are additional contributions to the various DM observables (relic density, direct and indirect detection). We find that the constraints on the SSDMM are relaxed for both heavy DM ($M_S \ge M_{U_1}$) and light DM ($M_S < M_{U_1}$).

研究动机与目标

• 在单一新物理框架下统一解释观测到的B介子衰变异常，特别是b → sμ+μ−和b → cτ−ν过程。
• 解决标量单重态暗物质模型（SSDMM）中存在的张力，该模型在暗物质质量低于~1.6 TeV时受到强烈约束。
• 探讨将暗物质与U1轻子数Higgs玻色子耦合是否能放松来自宇宙残留密度、直接探测和间接探测的SSDMM严格约束。
• 通过将U1视为一个有质量的规范玻色子，计算受量子修正的SSgg和SSγγ耦合，尽管这些过程在形式上存在发散，但通过规范场论框架实现有限化。

提出的方法

• 引入一个质量大于1.8 TeV的U1轻子数Higgs玻色子，通过左手性耦合解释中性流和带电流B介子衰变异常。
• 通过添加Yukawa耦合λU1S S² U₁†μ U₁μ，将SSDMM扩展以介导暗物质相互作用。
• 利用在TeV尺度自发对称性破缺的U(1)规范场论框架，计算SSgg和SSγγ耦合的单圈贡献。
• 借鉴标准模型Higgs粒子耦合（hgg, hγγ）的处理方法，对发散的圈图进行正则化，计算有限振幅。
• 对暗物质可观测量（包括宇宙残留密度、直接探测（通过核子散射）和间接探测（通过γγ和gg末态））进行全局拟合。
• 评估U1耦合在不同暗物质质量区域（相对于MU1的轻暗物质与重暗物质）对SSDMM可行性的整体影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一的U1轻子数Higgs玻色子能否同时解释b → sμ+μ−和b → cτ−ν的B介子衰变异常，同时满足所有现有约束？
• RQ2 将标量暗物质与U1轻子数Higgs玻色子耦合后，对SSDMM中宇宙残留密度和直接探测约束有何影响？
• RQ3 当U1被视为一个有质量的规范玻色子时，SSgg和SSγγ耦合的有限单圈贡献是什么？
• RQ4 U1介导的湮灭过程SS → U1Ū1是否能降低SSDMM中Higgs门户耦合λhS的需要，尤其是在重暗物质情况下？
• RQ5 未来的间接探测实验（如CTA）能否排除或约束带有U1-DM耦合的修改版SSDMM？

主要发现

• 在引入2021年PandaX-4T直接探测约束后，标量单重态暗物质模型（SSDMM）仅在暗物质质量MS ≥ 1.6 TeV时可行。
• 对于重暗物质（MS > MU1），U1介导的湮灭过程SS → U1Ū1可使所需的Higgs门户耦合λhS低于非微扰区域。
• 对于轻暗物质（MS < MU1），受量子修正的SSgg耦合提供额外的湮灭通道，且与Higgs门户贡献的破坏性干涉进一步放松了直接探测约束。
• 当λU1S = 3时，由于增强的湮灭和干涉效应，最小可行暗物质质量从~1.6 TeV降低至~1.3 TeV。
• 对于MS = 400 GeV，预测的SS → γγ截面约为~5.5 × 10⁻³¹ cm³/s；对于MS = 1000 GeV，约为~9.7 × 10⁻³⁰ cm³/s，远低于当前FermiLAT和H.E.S.S.的限制，但处于未来CTA实验的探测范围内。
• LHC过程pp → ℓ+ℓ−SS通过t通道U1交换的截面极小（σ ~ 10⁻⁶ pb），在λU1S ~ O(1)且MU1 > 1.8 TeV时不可观测。