title: Probes of sub-GeV dark sector physics
Creators: name: Kuo, Jui-Lin
Publisher: name: :none
Year: 2021

description: Neben dem sichtbaren und bekannten Teilchensektors des Standardmodells ist es möglich, dass der dunkle Materie Sektor aus leichten Teilchen, mit sub-GeV Massen, existiert. Wenn beide Sektoren miteinander wechselwirken, ist damit eine reichhaltige Phänomenologie im Labor, in der Astrophysik und in der Kosmologie zu erwarten. In dieser Arbeit untersuchen wir zwei Szenarien des dunklen Sektors: Zunächst betrachten wir ein sogenanntes Vektorportal-Modell, bei dem fermionische neue Teilchen mit dem Photon über elektromagnetische Formfaktoren interagieren. Zweitens konzentrieren wir uns dann auf ein Fermion-Portal-Modell, das einen skalaren dunkle Materie Kandidaten enthält, der über neue schwere Fermionen an Standardmodell-Leptonen gekoppelt ist. Das letztere Modell wurde in der Vergangenheit herangezogen, um den INTEGRAL 511keV Photonenfluss aus den zentralen Regionen der Milchstraße, sowie die Myon g − 2 Anomalie, zu erklären. Mittels detaillierten Herleitungen der aktuellen und zukünftigen experimentellen Sensitivität setzen wir in einer Vielzahl an teilchenphysikalischen Tests (zu erwartende) Schranken an die Kopplungsstärken zwischen dem sichtbaren und dunklen Sektor. Konkret betrachten wir Beschleuniger- sowie sog. Fixed-Target- und Beam-Dump-Experimente, Präzisions-Observablen des Standardmodells, direkte/indirekte Detektion, astrophysikalische/kosmologische Konsequenzen wie anomaler Energieverlust im Inneren von Sternen und zusätzliche relativistische Freiheitsgrade im frühen Universum. Die Kombination dieser Ergebnisse zeigt, dass 1) sub-GeV-Teilchen des dunklen Sektors nur äußerst schwache Wechselwirkungen mit elektromagnetischen Formfaktoren aufweisen können und 2) der Parameterraum des Fermion-Portal-Modells zur Erklärung der beiden genannten Anomalien ausgeschlossen ist. Anhand der zwei Szenarien—die minimalen Erweiterungen des Standardmodells entsprechen—wird damit ein detailliertes Framework zur Untersuchung von leichten (sub-GeV) dunklen Sektoren entwickelt. Dieses ist leicht anpassbar, um komplizierte dunkle Sektoren zu untersuchen.
description: Besides the visible and known sectors of particles and interactions described by the Standard Model, it is possible that there exists a dark sector of light, sub-GeV particles attributable to dark matter. A rich phenomenology can be expected in laboratories, astrophysics and cosmology, when visible and dark sectors are connected. In this thesis, we scrutinize two dark sector scenarios. First, we study a so-called vector-portal model, in which fermionic dark states carry electromagnetic form factors and thus can interact with the photon. Second, we then focus on a fermion-portal model containing a scalar dark matter candidate coupled to Standard Model leptons via a new heavy fermion. The latter model has been entertained to explain the long-standing INTEGRAL 511 keV excess and the muon g − 2 anomaly. With detailed derivations of the current and future experimental sensitivity, we constrain the coupling strengths between the visible sector and dark sectors through a large number of probes. Concretely we consider collider and fixed-target/beam-dump experiments, Standard Model precision observables, direct/indirect detection, astrophysical/cosmological implications such as the stellar energy loss and extra relativistic degrees of freedom in the early universe. The combination of these results establish that 1) sub-GeV dark sector particles can only have feeble electromagnetic form factor interactions, and 2) the parameter space of the fermion-portal model for explaining the two mentioned anomalies is ruled out. In the bigger scheme of things, we develop a detailed framework to study light (sub-GeV) dark sectors, demonstrated with two minimal extensions of the Standard Model. Such a framework may be readily adjusted to accommodate more complicated dark sectors.