[论文解读] U-boson production in e+e- annihilations, psi and Upsilon decays, and Light Dark Matter

P. Fayet|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2007

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 10

一句话总结

本文研究了在超对称或扩展标准模型情景下出现的轻型、弱耦合U-玻色子作为轻暗物质（LDM）的媒介子，以及其作为银河系银心511 keV线潜在来源的可能性。结果表明，来自ψ、Υ和gμ-2的严格约束将U-玻色子对电子的矢量耦合限制在mU < mμ时≤1.3 × 10⁻³，轴向耦合限制在≤3 × 10⁻6 mU（MeV），使得在e⁺e⁻碰撞中直接探测极为困难。

ABSTRACT

We recall how a new light gauge boson emerged in Supersymmetric extensions of the Standard Model with an extra singlet superfield, and how it could behave very much as a light pseudoscalar, with the corresponding symmetry broken at a scale higher than electroweak. Such a new gauge boson U, light and very weakly coupled, allows for Light Dark Matter particles, which could be at the origin of the 511 keV line from the galactic bulge. Could it be found directly in e+e- annihilations ? Not so easily, due to various constraints on its couplings, especially axial ones, leading to an axionlike behavior or extra parity-violation effects. Searches for the decay Upsilon -&gt; gamma + invisible U may be used to constrain severely its axial coupling to the electron, f_eA = f_bA, to be less than about 10^-6 m_U(MeV). The vector coupling to the electron may in principle be larger. We find from g_mu-2, under reasonable assumptions, that this coupling can be at most as large as ~ 1.3 10^-3, for m_U &lt; m_mu. Such a coupling of the order of 10^-3 could also be responsible for the somewhat large value of g_mu-2, compared to Standard Model expectations. The U couplings to electrons are otherwise likely to be smaller, e.g. \lsim 3 10^-6 m_U(MeV), if the couplings to neutrinos and electrons are similar. This restricts significantly the possibility of detecting a light U boson in e+e- -&gt; gamma U. Despite that, U exchanges can provide annihilation cross sections of LDM particles of the appropriate size, even if this may require that light dark matter be relatively strongly self-interacting.

研究动机与目标

• 评估通过e⁺e⁻ → γU过程在e⁺e⁻碰撞中探测轻型U-玻色子的可行性。
• 在ψ、Υ和gμ-2测量结果的约束下，确定U-玻色子对电子和中微子耦合的允许参数空间。
• 评估U-玻色子是否能介导与银河系银心511 keV线观测一致的轻暗物质湮灭截面。
• 探讨Z–U混合与轴向耦合在塑造U-玻色子现象学约束中的作用。
• 确定U-玻色子是否能同时解释gμ-2的异常值并满足所有现有实验约束。

提出的方法

• 通过有效拉格朗日量技术建模费米子耦合，分析U-玻色子在e⁺e⁻湮灭过程中通过e⁺e⁻ → γU的产生机制。
• 利用ψ → γU和Υ → γU衰变的约束，对电子的轴向耦合进行限制，得出fₑₐ ≲ 10⁻⁶ mU（MeV）。
• 利用gμ-2测量结果约束矢量耦合，假设轻子味普适性且无抵消效应，推导出当mU < mμ时，fₗⱽ ≲ 1.3 × 10⁻³的上限。
• 评估Z–U混合对U-玻色子耦合的影响，尤其在中微子轴向耦合被抑制时，对电子矢量耦合的影响。
• 在微扰耦合条件下，评估U-玻色子介导的LDM湮灭为e⁺e⁻的可行性，要求截面与511 keV线观测一致。
• 比较gₑ-2、gμ-2与Z–U混合的约束，得出fₑ² ≲ 10⁻⁶的保守上限，意味着fₑ²/(4π) ≲ 10⁻⁷。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前实验约束下，是否可能通过e⁺e⁻ → γU过程在e⁺e⁻碰撞中产生并探测轻型U-玻色子？
• RQ2 在ψ、Υ和gμ-2数据一致的前提下，U-玻色子对电子和中微子的最大允许耦合是多少？
• RQ3 U-玻色子能否介导轻暗物质湮灭为e⁺e⁻对的截面，使其与观测到的511 keV线强度一致？
• RQ4 Z–U混合效应如何影响U-玻色子对带电轻子的矢量耦合强度？
• RQ5 U-玻色子是否可能同时解释gμ-2的异常值并满足所有其他现象学约束？

主要发现

• U-玻色子对电子的轴向耦合被限制在fₑₐ ≲ 10⁻⁶ mU（MeV），比gₑ-2允许的∼5 × 10⁻⁵ mU小50倍。
• 在假设轻子味普适性且无抵消效应的前提下，U-玻色子对电子的矢量耦合被限制在mU < mμ时fₗⱽ ≲ 1.3 × 10⁻³。
• 耦合强度fₑ² ≲ 10⁻⁶，或fₑ²/(4π) ≲ 10⁻⁷，使得在e⁺e⁻对撞机中直接探测U-玻色子的产生极为困难。
• 若U-玻色子对电子和中微子的耦合相似，则耦合进一步受限于|fₑ| ≲ 3 × 10⁻⁶ mU（MeV），比gₑ-2约束更严格。
• 若mU < mμ，对带电轻子的矢量U-玻色子耦合约为10⁻³，可解释gμ-2的异常值，而不会过度约束gₑ-2。
• U-玻色子可介导与511 keV线强度量级相符的LDM湮灭截面，但仅当暗物质具有相对较强的自相互作用，或U-玻色子对LDM的耦合较大时才可能。