味暗物质对撞机以及直接探测研究

As the limits from the Dark Matter (DM) direct detection experiments are getting more and more stringent, the tension between DM relic density and constraints from direct detection becomes more severe. As the interactions have flavor structure, flavored DM can help to mitigate the tension efficiently. Therefore, such models have received lots of attention. In the project, we intend to obtain the detailed interaction forms between flavored DM and particles in the Standard Model (SM). The goal of the project is to investigate flavor structure of the interactions, while still satisfying various experimental limits. Firstly, we demand that the model must yield the correct DM relic density. Secondly, among the collider experimental data, we focus on those from the DM direct searches via mono-X signals and searches for the flavor changing neutral current processes. Lastly, for the DM direct detection experiments, we first compute the tree level and one-loop level contributions from flavored DM, and then adopt the current limits (or projected limits in the future) to constrain the flavor structure of interactions between flavored DM and particles in the SM. In short, the project attempts to reveal the theory of flavored DM.

随着暗物质直接探测实验探测能力不断提高，暗物质剩余丰度与直接探测实验限制之间的矛盾越来越大。由于与标准模型粒子之间相互作用具有味结构，具有味结构的暗物质(简称味暗物质)模型可有效地缓解这一矛盾。因此这一类模型越来越引起人们的关注。本项目旨在全面了解味暗物质与标准模型之间相互作用的具体形式。研究核心是在考虑各种实验限制后，得到味暗物质与标准模型粒子之间相互作用的味结构。首先我们考虑剩余丰度对味暗物质模型的限制。其次在对撞机实验中，我们重点考虑暗物质直接寻找以及寻找味道改变中性流过程给出的限制。最后在暗物质直接探测实验中，我们分析味暗物质相互作用树图和单圈图的贡献，并引用当下以及未来预期的实验结果来限制相互作用的味结构。我们希望通过本项目的研究加深对暗物质粒子性质的理解。

标准模型中顶夸克味道改变的中性相互作用是被GIM机制严重压低的，一旦实验观测到顶夸克味道改变的中性相互作用将毫无疑问地表明新物理的存在，在研究中我们指出三个顶夸克的产生过程和顶夸克味道改变的中性相互作用之间存在直接对应关系，且该过程不仅要求味道改变还要求味道守恒的中性相互作用存在。因此研究该过程可以很好地帮助人们探寻顶夸克相互作用的味道结构。得益于对撞机对撞能量、积分亮度和事例重构技术的提高，过去被认为是稀有过程的四个顶夸克产生已被实验观测到。因此该过程一方面可以用作标准模型精确测量，我们讨论了利用该过程测量顶夸克希格斯相互作用大小、CP相位及希格斯粒子宽度；同时也是寻找亲顶夸克物理的绝佳过程，在研究中我们讨论了在对撞机上利用四个顶夸克产生探寻各种可能的亲顶夸克物理的可能性，并详细地分析了亲顶夸克共振态宽度对于产生过程的影响。鉴于实验对于新共振态的质量限制越来越高，在对撞机上产生的新共振态的衰变粒子将会被boost起来，在研究中我们讨论了一类包含暗物质粒子的新物理在对撞机上的寻找，即重共振态对产生随即衰变到暗物质粒子和一对规范波色子，利用boost-jet技术重构规范玻色子喷注。研究表明在现阶段该过程是现有寻找过程的有效补充，而在高亮度LHC阶段，该过程具有绝对优势。由于在实验上观测到缪子反常磁矩超出的信号，鉴于两个独立算符的关联性，我们讨论了利用两个独立过程测量费米子的磁矩和弱磁矩，进而对于背后的新物理给出限制。我们研究了顶夸克味道改变的中性相互作用起源于具有味道结构的暗物质模型的量子效应的一类模型，在此类模型中计算了暗物质的剩余丰度、直接探测的量子修正；并对比了大型强子对撞机和暗物质直接探测实验对此类模型的探测能力。