标度不变的 FIMP 奇迹

我们研究了一类经典标度不变理论中矢量暗物质（DM）的冻入（freeze-in）产生，其中标准模型（SM）被一个阿贝尔 $U(1)_X$ 规范对称性扩充，该对称性由于一个在 $U(1)_X$ 下带电的标量的非零真空期望值（VEV）而自发破缺。在单圈水平上生成 SM 希格斯质量，使得暗 sector 中仅留下两个独立参数，即 DM 质量 $m_X$ 和规范耦合 $g_X$，并附带一个自然轻的暗标量粒子。我们表明，对于 $g_X\sim\mathcal{O}\left(10^{-5}\right)$，有可能在早期宇宙中非平衡地产生 DM X，满足对 $m_X\sim\mathcal{O}\left(\text{TeV}\right)$ 的观测遗迹丰度，这反过来也决定了标量混合角 $\sin \theta\sim\mathcal{O}\left(10^{-5}\right)$。这种与 SM 混合极小、自然轻的标量介导子的存在，为该模型在直接搜寻实验中被探测开辟了可能性，而标准冻入情形对此不敏感。此外我们表明，即便具有冻入 DM 所必需的如此微弱的耦合，该情形仍可在若干轻暗 sector 搜寻（例如 DUNE 和 FASER-II 中）中被检验，同时满足观测遗迹丰度以及大爆炸核合成（BBN）的约束。特别地，我们发现，参数空间中 $m_X$ $\gtrsim 1.8$ TeV 的区域对直接探测探针不敏感，但由于理论潜在的标度不变性，仍可在寿命前沿搜寻中变得可触及。