[论文解读] $Z^\prime$ portal dark matter in the minimal $B-L$ model

Satomi Okada|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 82被引用 13

一句话总结

本文提出了一种在最小 $B-L$ 模型中的 $Z^\prime$ 门户暗物质场景，其中 $Z_{B-L}^\prime$ 规范玻色子介导了标准模型与一个 $Z_2$ 奇宇称的右手中微子之间的相互作用，后者作为 Majorana 暗物质候选者。通过结合宇宙学约束（遗迹密度）和 LHC 运行2的对撞机限制，该研究推导出 $Z_{B-L}^\prime$ 玻色子质量的下限为 $m_{Z^\prime} \geq 3.9$ TeV，从而缩小了可行参数空间。

ABSTRACT

In this review article, we consider a dark matter scenario in the context of the minimal extension of the Standard Model (SM) with a $B-L$ (baryon number minus lepton number) gauge symmetry, where three right-handed neutrinos with a $B-L$ charge $-1$ and a $B-L$ Higgs field with a $B-L$ charge $+2$ are introduced to make the model anomaly-free and to break the $B-L$ gauge symmetry, respectively. The $B-L$ gauge symmetry breaking generates the Majorana masses for the right-handed neutrinos. We introduce a Z$_2$ symmetry to the model and assign an odd parity only for one right-handed neutrino, and hence the Z$_2$-odd right-handed neutrino is stable and the unique dark matter candidate in the model. The so-called minimal seesaw works with the other two right-handed neutrinos and reproduces the current neutrino oscillation data. We consider the case that the dark matter particle communicates with the SM particles through the $B-L$ gauge boson ($Z^{\prime}_{B-L}$ boson), and obtain a lower bound on the $B-L$ gauge coupling ($α_{B-L}$) as a function of the $Z^{\prime}_{B-L}$ boson mass ($m_{Z^{\prime}}$) from the observed dark matter relic density. On the other hand, we interpret the recent LHC Run-2 results on the search for a $Z^{\prime}$ boson resonance to an upper bound on $α_{B-L}$ as a function of $m_{Z^{\prime}}$. These two constraints are complementary to narrow down an allowed parameter region for this "$Z^{\prime}$ portal" dark matter scenario, leading to a lower mass bound of $m_{Z^{\prime}} \geq 3.9$ TeV.

研究动机与目标

• 在最小 $B-L$ 模型中引入 $Z_2$ 对称性，以稳定一个右手中微子并使其成为 Majorana 暗物质候选者。
• 研究 $Z_{B-L}^\prime$ 门户机制，其中暗物质通过 $B-L$ 规范玻色子与标准模型粒子发生相互作用。
• 利用宇宙学遗迹密度和 LHC 运行2的 $Z^\prime$ 共振搜索数据约束模型参数。
• 识别同时满足宇宙学和对撞机约束的可行参数空间。

提出的方法

• 引入一个 $Z_2$ 对称性，仅赋予一个右手中微子奇宇称，以确保其稳定性并使其成为暗物质候选者。
• 通过两个 $Z_2$-偶右手中微子实现最小 seesaw 机制，以重现中微子振荡数据。
• 通过 $B-L$ 希格斯场实现 $B-L$ 规范对称性自发破缺，从而生成右手中微子的 Majorana 质量以及 $Z_{B-L}^\prime$ 玻色子的质量。
• 推导出 $Z_{B-L}^\prime$ 门户相互作用的拉格朗日量，使暗物质通过交换 $Z_{B-L}^\prime$ 玻色子实现散射与湮灭。
• 计算作为 $\alpha_{B-L}$ 和 $m_{Z^\prime}$ 函数的暗物质遗迹密度，以推导出规范耦合的下限。
• 解释 ATLAS 运行2的 $Z^\prime$ 共振搜索结果，以 $m_{Z^\prime}$ 为函数推导出 $\alpha_{B-L}$ 的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在考虑宇宙学和对撞机约束的前提下，最小 $B-L$ 模型中 $Z_{B-L}^\prime$ 门户暗物质场景的允许参数空间是什么？
• RQ2 在该模型中，$Z_{B-L}^\prime$ 规范玻色子如何介导暗物质与标准模型粒子之间的相互作用？
• RQ3 当结合遗迹密度和 LHC 运行2数据时，$Z_{B-L}^\prime$ 玻色子质量的下限是多少？
• RQ4 为什么该模型中暗物质候选者的直接探测被抑制？
• RQ5 该模型能否同时解释中微子质量、暗物质，并在 LHC 上被检验？

主要发现

• 宇宙学遗迹密度约束给出了作为 $m_{Z^\prime}$ 函数的 $B-L$ 规范耦合 $\alpha_{B-L}$ 的下限，对于更重的 $Z_{B-L}^\prime$ 玻色子，需要更大的 $\alpha_{B-L}$。
• LHC 运行2的 ATLAS 搜索结果对 $\alpha_{B-L}$ 施加了作为 $m_{Z^\prime}$ 函数的上限，该上限与宇宙学约束互补。
• 遗迹密度和 LHC 数据的联合约束排除了所有 $m_{Z^\prime} \geq 3.9$ TeV 以下的参数空间。
• 由于右手中微子暗物质候选者与 $Z_{B-L}^\prime$ 玻色子的轴矢量耦合，其在非相对论极限下的弹性散射振幅为零，因此避开了直接探测。
• 由于暗物质的 Majorana 性质导致速度抑制，通过暗物质对湮灭的间接探测可忽略不计。
• 当 $m_{Z^\prime} \geq 3.9$ TeV 时，该模型仍然可行，且 $Z_{B-L}^\prime$ 信号预计在 $\sim 120~\text{fb}^{-1}$ 的亮度下可在 LHC 上被探测到。