具有奇異介體的暗物質：雙夸克通道

核心概念

本文探討了「受挫暗物質」（fDM）的新範例，其中暗物質透過一對標量-費米子介體與標準模型（SM）耦合，並特別關注介體通過雙夸克通道與標準模型相互作用的模型。

摘要

本文深入探討了受挫暗物質（fDM）模型，這是一種暗物質與標準模型（SM）相互作用的新範例。與傳統暗物質模型不同，fDM 模型中暗物質不直接與 SM 粒子耦合，而是透過一對具有不同自旋的介體粒子：一個標量介體和一個費米子介體。這種獨特的相互作用方式為探索新的暗物質候選者和介體粒子提供了廣闊的理論空間。
本文重點關注 fDM 模型中的雙夸克通道，其中介體粒子透過與兩個夸克的耦合與 SM 粒子相互作用。根據量子色動力學（QCD）的規則，這些介體粒子可以是色單態、色三重態、色六重態或色八重態。此外，根據弱同位旋對稱性，這些介體粒子可以是弱單態、弱雙重態或弱三重態。
作者系統地探討了不同類型的介體粒子及其可能的衰變模式。根據介體粒子和暗物質的質量關係，存在兩種主要的衰變模式：
衰變模式 I：
在這種模式下，標量介體直接衰變為一對夸克。這種衰變模式總是允許的，並且在標量介體比費米子介體輕的情況下占主導地位。
衰變模式 II：
當標量介體比費米子介體重時，標量介體可以衰變為一個費米子介體和一個暗物質粒子。這種衰變模式會產生包含大量暗物質粒子的末態，因此預計會具有顯著的缺失橫向動量。
作者詳細討論了每種介體粒子在大型強子對撞機（LHC）上的產生和衰變，並列出了可供實驗搜尋的獨特訊號。這些訊號包括多噴流末態、帶有缺失橫向動量的多噴流末態，以及包含頂夸克的末態。
本文的研究結果為在 LHC 上搜尋 fDM 模型提供了重要的理論依據，並為理解暗物質的本質開闢了新的途徑。

統計資料

從以下內容提煉的關鍵洞見

Dark matter with exotic mediators: The diquark portal

by Linda M. Car... 於 arxiv.org 11-04-2024

https://arxiv.org/pdf/2312.17607.pdf

深入探究

受挫暗物質模型如何與其他暗物質模型（例如弱相互作用大質量粒子（WIMP）模型）相比較？

受挫暗物質（fDM）模型與其他暗物質模型（如弱相互作用大質量粒子（WIMP）模型）相比，呈現出一些獨特的特徵：

相互作用方式： WIMP 模型通常假設暗物質粒子通過弱相互作用或類似強度的相互作用與標準模型粒子直接耦合。相反，fDM 模型中的暗物質粒子不直接與標準模型粒子相互作用，而是通過一對具有不同自旋的中介粒子發生相互作用。

中介粒子： fDM 模型中的中介粒子可以是標準模型規範群的任意表示形式，只要它們允許與標準模型粒子和暗物質粒子發生耦合。這與 WIMP 模型形成鮮明對比，WIMP 模型中的中介粒子通常被限制為特定的規範玻色子或與希格斯玻色子混合的標量粒子。

現象學： 由於缺乏直接的暗物質-標準模型耦合，fDM 模型預測了不同於 WIMP 模型的獨特現象學。例如，fDM 模型中的間接探測信號預計會受到抑制，因為暗物質湮滅主要通過迴路過程發生。此外，fDM 模型預測了對撞機上中介粒子的豐富產生和衰變模式，這可能導致多種可檢驗的信號。

宇宙學影響： fDM 模型對早期宇宙的演化和暗物質遺跡豐度的預測也可能與 WIMP 模型不同。fDM 模型中的暗物質粒子可以通過中介粒子的衰變或湮滅產生，這可能導致與標準熱遺跡場景不同的遺跡豐度。
總之，fDM 模型提供了一種新穎且獨特的暗物質粒子與標準模型粒子相互作用的範例。與 WIMP 模型相比，fDM 模型具有更大的自由度，可以容納更廣泛的中介粒子和相互作用類型，從而產生豐富的現象學和宇宙學影響。

如果 LHC 沒有發現雙夸克通道中預測的訊號，是否意味著 fDM 模型被排除？

即使 LHC 沒有在雙夸克通道中發現預測的信號，也不一定意味著 fDM 模型被排除。以下是一些可能的原因：

中介粒子質量過高： 如果 fDM 模型中的中介粒子質量超過 LHC 的能量範圍，那麼它們將無法在對撞機實驗中產生，因此 LHC 無法探測到它們。

耦合常數過小： 如果 fDM 模型中的耦合常數（例如，暗物質-中介粒子耦合和中介粒子-標準模型粒子耦合）過小，那麼中介粒子的產生截面和衰變分支比將非常低，這使得 LHC 難以觀察到相關信號。

其他衰變通道： fDM 模型中的中介粒子可能存在其他衰變通道，而不是雙夸克通道。例如，它們可能衰變為其他標準模型粒子（如輕子和規範玻色子）或其他未被發現的粒子。

模型參數空間： fDM 模型的參數空間很大，LHC 的探測能力可能僅限於其中一部分。即使 LHC 沒有在雙夸克通道中發現信號，也可能存在其他參數空間區域，其中 fDM 模型仍然可行。
因此，LHC 沒有在雙夸克通道中發現 fDM 模型的信號並不一定意味著該模型被排除。需要進一步的實驗和理論研究來更全面地探索 fDM 模型的參數空間和現象學。

fDM 模型的哪些方面可以透過宇宙學觀測（例如宇宙微波背景輻射）進行探測？

fDM 模型的宇宙學觀測可以提供有關暗物質性質和相互作用的寶貴信息。以下是一些可以通過宇宙學觀測探測 fDM 模型的方面：

暗物質遺跡豐度： fDM 模型中的暗物質粒子可以通过中介粒子的衰變或湮滅產生，這可能導致與標準熱遺跡場景不同的遺跡豐度。通過精確測量宇宙微波背景輻射（CMB）的各向異性，可以限制暗物質的遺跡豐度，並對 fDM 模型的參數空間施加約束。

暗物質湮滅： 即使 fDM 模型中的暗物質粒子不直接與標準模型粒子相互作用，它們仍然可以通過迴路過程發生湮滅。這些湮滅過程會產生高能光子、宇宙線和其他粒子，這些粒子可以通過間接探測實驗（如費米伽瑪射線太空望遠鏡）進行觀測。

暗物質-重子相互作用： fDM 模型中的中介粒子可能與標準模型粒子（包括重子）發生微弱的相互作用。這些相互作用會影響早期宇宙中結構的形成，並在 CMB 中留下可觀測的印記。

暗物質團塊的結構： fDM 模型中的暗物質自相互作用可以影響星系和星系團等宇宙結構的形成和演化。通過觀測星系旋轉曲線、星系團的質量分佈和引力透鏡效應，可以限制暗物質的自相互作用強度，並對 fDM 模型的參數空間施加約束。
總之，宇宙學觀測為探測 fDM 模型提供了獨特的途徑。通過結合 CMB 測量、間接探測實驗和對宇宙結構的觀測，可以限制 fDM 模型的參數空間，並深入了解暗物質的性質和相互作用。