[论文解读] Top partners and scalar dark matter -- a non-minimal reappraisal

Alan S. Cornell, Aldo Deandrea+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 33被引用 1

一句话总结

本文在非最小复合希格斯框架下，通过引入额外的Z2偶性顶夸克伙伴（T′），重新评估了顶味标量暗物质。该框架超越了仅包含Z2奇性暗物质（S）和媒介子（T）的最小模型。T′的引入显著改变了对撞机信号和宇宙学约束，特别是增强了T′对产生截面，并与最小模型相比，改变了暗物质丰度和直接探测率。

ABSTRACT

A large set of models beyond the Standard Model of particle physics suggest that the top quark plays a special role in fundamental interactions. At the same time some of these models predict that a particle responsible for dark matter is present in the physical spectrum of the theory, and in particular cases dark matter may be specially linked to the top sector. Such a new physics configuration occurs, for instance, in composite frameworks that additionally feature vector-like quarks as mediators of the interactions of the dark matter with the Standard Model. We investigate the interplay of top-philic dark matter and the presence of several vector-like top partners. Such a non-minimal setup with several vector-like fermions is typical of composite scenarios, and we make use of an effective model to study to which extent such non-minimality modifies the collider and cosmological phenomenology of the minimal model, the latter only including one vector-like mediator of the dark matter interactions with the Standard Model.

研究动机与目标

• 研究在顶味暗物质模型中引入Z2偶性顶伙伴（T′）的唯象学影响。
• 通过引入具有部分复合性的现实复合希格斯场景，将最小简化模型（仅含S和T）进行扩展。
• 评估T′的存在如何改变对撞机信号以及宇宙学约束（如丰度和直接探测）。
• 利用有效拉格朗日量技术，提供一种模型无关的顶伙伴搜索框架。
• 通过包含此前被忽略的Z2偶性共振态，弥合复合希格斯模型与简化暗物质模型之间的鸿沟。

提出的方法

• 构建一个有效拉格朗日量，包含标量暗物质（S）、Z2奇性矢量型顶夸克伙伴（T）和Z2偶性顶夸克伙伴（T′），三者均与SM顶夸克耦合。
• 实施Z2对称性以确保暗物质稳定，其中S和T为奇，T′为偶。
• 基于[13, 14]采用模型无关方法，包含所有允许的矢量型夸克耦合。
• 使用FeynRules和MadGraph等工具进行对撞机唯象学研究，包括信号模拟与LHC搜索结果的重新诠释。
• 利用micrOMEGAs计算丰度和直接探测率，纳入圈修正与部分复合性效应。
• 将结果与仅含S和T的最小模型进行比较，以分离T′的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 引入Z2偶性顶伙伴（T′）如何改变顶味暗物质模型的对撞机唯象学？
• RQ2 T′对标量暗物质的丰度和直接探测率有何影响？
• RQ3 T′对产生与衰变模式如何影响LHC对矢量型夸克的搜索策略？
• RQ4 T′的存在在多大程度上改变了最小简化模型的稳定性和唯象学特性？
• RQ5 当前或未来的LHC搜索能否探测到T′共振态？其存在如何影响现有限制的解释？

主要发现

• T′的引入显著提高了LHC上矢量型夸克对的产生截面，增强了对T′在专用搜索通道中的探测能力。
• T′显著改变了暗物质丰度，其贡献来自T′和T介导的湮灭过程。
• 由于T′介导的希格斯门控和希格斯交换，标量暗物质的直接探测率被增强，提高了对XENON1T及未来实验的灵敏度。
• T′可在顶夸克伴随下产生单个喷胶与缺失能量的信号，提供超越最小模型的独特对撞机信号。
• 该模型无关框架使得现有LHC搜索结果可被重新诠释，表明若T′耦合被适当调节，其可逃避当前限制。
• 当引入T′时，宇宙学与对撞机约束更为严格，表明最小模型低估了其唯象学探测范围。