暗光子介导的非弹性暗物质：从宇宙学到天体物理与加速器

我们对暗光子介导的非弹性暗物质 (A$^{\prime}$iDM) 的现象学进行系统性讨论。该模型通过引入包含额外 $U(1)_D$ 规范对称性的暗部，使标准模型粒子中性化，并通过动力学混合参数 $\epsilon$ 耦合到标准模型超夸克玻色子。该模型包含两个马约拉纳态 $\chi_1$ 和 $\chi_2$，其中 $\delta=M_{\chi_2}-M_{\chi_1}>0$，且 $\chi_1$ 为暗物质候选者，另有质为 $M_{A^{\prime}}$ 的暗光子 $A^{\prime}$。我们的分析整合了现有的研究，其中仅讨论了 A$^{\prime}$iDM 场景的特定基准。具体而言，我们将 $U(1)_D$ 耦合 $\alpha_D$ 取等于电磁耦合 $\alpha_{EM}$，并将 $\epsilon$ 取至其实验上界，对剩余参数 $(M_{\chi_1},\delta, M_{A^{\prime}})$ 进行完整扫描，讨论 $\chi_1$ 余量、其直接和间接搜索，以及来自天体物理和加速器的潜在信号。我们的系统扫描表明 $\alpha_D$ = $\alpha_{EM}$ 并不被排除，由于以前受限于特定基准的分析可能暗示了这一点。我们还发现，当 $\chi_1$ 余密度匹配观测时，直接和间接搜索在动力学上不可及。另一方面我们发现，FASER 计划在高能物理实验中搜索长期存活粒子 (LLP) 的检测器的投射亮度可以探测或排除该模型参数空间，其中 $M_{\chi_1}\lesssim$ 7 GeV，$100$ MeV $\lesssim \delta\lesssim$ 300 MeV，$M_{A^{\prime}}\lesssim$ 25 GeV。该参数范围可通过在大型强子对撞机 (LHC) 高亮度阶段提出的 FASER 2 升级显著扩展。该模型被 LLP 搜索探测到的参数空间部分与被 $\chi_1$ 在中子星中的捕获探测到的参数空间重叠。