具有矢量型费米子顶伙伴的顶夸克亲和标量暗物质

我们考虑标准模型的一个简单扩展，其中除 Higgs 门户之外，一个标量顶夸克亲和暗物质(DM) $S$ 仅与右旋顶夸克 $t_R$ 以及一个带色的矢量型顶伙伴 $T$ 通过 Yukawa 耦合 $y_{ST}$ 相连，我们称之为 topVL 门户。当 Higgs 门户关闭且 $y_{ST}$ 为微扰的 $(\lesssim 1)$ 时，$TS\to (W^+b, gt)$、$SS\to t\bar{t}$ 和 $T\bar{T}\to (q\bar{q},gg)$ 分别在轻、中、重暗物质质量区间提供了主导的(共)湮灭贡献，以得到 $\Omega_{\rm DM} h^2\simeq 0.12$。然而，在 $m_S<m_t$ 区域，大的 $y_{ST}\sim\mathcal{O}(10)$ 可通过圈诱导耦合 $C_{SSgg}$ 使 $SS\to gg$ 占主导。在该模型中，正是 $C_{SSgg}$ 耦合产生了直接探测中的暗物质-核子散射，该散射可能很大，并且在 $SS\to gg$ 主导暗物质湮灭时仅由 $\Omega_{\rm DM} h^2\simeq 0.12$ 决定。当前的 LUX 结果可以排除 $SS\to gg$ 主导的情形，而 XENON-1T 实验可能进一步检验 $y_{ST}\gtrsim 1$，且 $0.5\lesssim y_{ST}\lesssim 1$ 可能在未来的 LUX-ZP 实验中被覆盖。来自 Fermi 伽马射线观测的当前间接探测结果也能排除 $SS\to gg$ 主导的情形，并且对重暗物质质量区域敏感；其灵敏度提高一个数量级将分别把暗物质质量推高至 $y_{ST}=0.3, 0.5, 1.0$ 时的 400、600、1000 GeV 以上。在强子对撞机上产生的 $T\bar{T}$ 对将在运动学开放时以 100% 分支比衰变为 $t\bar{t}+E^{miss}_T$ 信号。最新的 ATLAS 13 TeV 13.2 $\mathrm{fb^{-1}}$ 数据可以排除在 $m_S$ =40 (400) GeV 时 $m_T$ 介于 300 (650) 和 1150 (1100) GeV 之间，且排除区域可延伸至 $m_S\sim 500$ GeV。