[论文解读] The FIMP-WIMP dark matter and Muon g-2 in the extended singlet scalar model

Pritam Das, Mrinal Kumar Das+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 53被引用 11

一句话总结

该论文提出了一种标准模型的最小扩展，包含一个实 singlet 标量、矢量型单重态费米子和一个费米子双重态，以同时通过冻结产生（freeze-in）和冻结消失（freeze-out）机制解释观测到的暗物质丰度，并解决μ子g-2异常问题。研究表明，在14 TeV的LHC上，结合MATHUSLA100/200探测器，可在10^6 fb⁻¹的亮度下探测到超过3个事件的重带电费米子轨迹。

ABSTRACT

We explore a simplest viable dark matter model with a real singlet scalar, vector-like singlet and doublet fermions. The Yukawa couplings associate with the fermion sector play a crucial role to get the current relic density of the Universe through Freeze-in and Freeze-out mechanism. A solution to muon anomalous magnetic moment is carried out in an economical fashion via the dark matter and light fermion doublet interaction. We discuss the constraints from the recent muon anomalous magnetic moment experimental data and relic density. We also perform the collider analysis for the FIMP dark matter in the context of 14 TeV LHC experiments with the MATHUSLA100/200 detector. Our analysis shows that, one can get enough events $>3$ for heavy charged fermion track at 14 TeV LHC with an integrated luminosity $\mathcal{L}=10^6 ~{ m fb^{-1}}$.

研究动机与目标

• 构建标准模型的最小扩展，以同时解释观测到的暗物质丰度和μ子反常磁矩。
• 探讨冻结产生与冻结消失机制在生成正确暗物质丰度过程中的相互作用。
• 研究该模型在对撞机中的可实现性，特别是14 TeV LHC上探测长寿命重带电费米子的可能性。
• 利用最新的μ子g-2和暗物质丰度测量数据对模型进行约束。

提出的方法

• 在标准模型的拉格朗日量中引入一个实单重态标量、矢量型单重态费米子和一个费米子双重态。
• 利用费米子双重态与单重态标量之间的Yukawa耦合，介导产生μ子g-2异常的相互作用。
• 在标量 sector 中实现冻结产生与冻结消失机制，以达到观测到的暗物质丰度。
• 使用MATHUSLA100/200探测器概念进行对撞机分析，模拟14 TeV LHC上长寿命带电费米子的信号。
• 计算在10^6 fb⁻¹积分亮度下，重带电费米子衰变的预期可探测事件数。
• 应用最新μ子g-2测量结果和Planck数据对暗物质丰度的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个标准模型的最小扩展能否同时解释观测到的暗物质丰度和μ子g-2异常？
• RQ2 涉及矢量型费米子和单重态标量的Yukawa耦合在产生μ子g-2偏差中起什么作用？
• RQ3 冻结产生与冻结消失机制如何在同一模型中共存以产生正确的暗物质丰度？
• RQ4 在14 TeV LHC上，结合MATHUSLA100/200探测器，长寿命带电费米子的发现潜力如何？
• RQ5 在10^6 fb⁻¹亮度下，该模型能否产生超过三个可探测的重带电费米子轨迹事件？

主要发现

• 该模型通过单重态标量和矢量型费米子介导的冻结产生与冻结消失机制，成功重现了观测到的暗物质丰度。
• μ子反常磁矩通过暗物质与轻费米子双重态相互作用的圈图贡献得到解释。
• 该模型与最新的μ子g-2实验数据以及Planck对暗物质丰度的测量结果一致。
• 在10^6 fb⁻¹的积分亮度下，14 TeV的LHC结合MATHUSLA100/200探测器可产生超过三个可探测的长寿命重带电费米子事件。
• 该模型预测了一个可行的参数空间，可在无需微调的情况下同时解释暗物质和μ子g-2。