暗物质的低质量弱耦合B-L规范玻色子约束

我们研究在标准模型（SM）的$U(1)_{B-L}$扩展中，以SM单态狄拉克费米子（$\zeta$）作为暗物质（DM）时，新$B-L$规范玻色子（$Z_{BL}$）质量和耦合（$g_{BL}$）的约束。DM粒子$\zeta$具有任意的$B-L$电荷$Q$，选取得以保证其稳定性。我们聚焦于该模型的小$Z_{BL}$质量和小$g_{BL}$区域，并为DM遗迹丰度来自热冻结（thermal freeze-out）以及冻结入（freeze-in）机制的情形找到了新的约束。在热冻结情形中，DM耦合由$g_{\zeta}\equiv g_{BL}Q\simeq0.016\sqrt{m_\zeta[{\rm GeV}]}$给出以重现观测到的DM遗迹密度，且为使DM粒子在冻结前处于热平衡，要求$g_{BL}\geq 2.7 \times 10^{-8} \sqrt{m_\zeta[{\rm GeV}]}$。结合直接与间接DM探测约束，我们发现允许的质量区域被限制为$m_\zeta \gtrsim 200$ GeV和$M_{Z_{BL}} \gtrsim 10$ GeV。我们随后讨论冻结入情形适用的较低$g_{BL}$值，并依$g_{BL}$范围和暗物质质量找到以下遗迹密度对参数的约束：情形（A）：对$g_{BL}\geq 2.7\times10^{-8}\sqrt{m_\zeta[{\rm GeV}]}$，有$g^2_\zeta\,g^2_{BL}+\frac{0.82}{1.2}\,g^4_\zeta\simeq 8.2\times10^{-24}$；情形（B）：对$g_{BL} < 2.7 \times 10^{-8} \sqrt{m_\zeta[{\rm GeV}]}$，依$m_\zeta$存在两个独立约束。情形（B1）：对$m_\zeta\lesssim 2.5{\rm TeV}$，我们发现$g_\zeta^2\,g_{BL}^2\simeq 8.2\times10^{-24}\,\left( \frac{m_\zeta}{2.5\,{\rm TeV}} \right)$；情形（B2）：对$m_\zeta \gtrsim 2.5$ TeV，有$g_\zeta^2 \, g_{BL}^2 \simeq 8.2 \times 10^{-24}$。对此情形，我们展示了该模型可被多种“寿命前沿（Lifetime Frontier）”实验如FASER、FASER2、Belle II、SHiP和LDMX探测的各种参数区域。