Investigação da natureza de um mediador vetorial massivo para a matéria escura por meio de colisões e+e−

Abstract

Diversos estudos têm se proposto a estudar a natureza da matéria escura (ME) e tentar desvendar a sua origem. Abordagens distintas têm sido empregadas para tentar compreender como a ME interage e quais seriam os mecanismos possíveis para detectá-la. Teorias além do Modelo Padrão das Partículas Elementares (MP) podem ser eficazes neste processo ao empregar modelos efetivos, simplificados ou mais completos para descrever a ME. Experimentos de detecção direta, indireta e buscas em colisores têm excluído grande parte dos modelos para ME. Entretanto, há indicações de que a ME ainda pode ser constituída de partículas e mediadores de alta massa, estes últimos da ordem de TeV. Sendo assim, este trabalho se propõe a investigar a interação entre férmions, mais especificamente pares elétron-pósitron, e partículas de ME pela interação via um novo mediador vetorial massivo, Z 0 . Foi estudada a produção de pares de ME escalar, fermiônica e vetorial via aniquilação de pares elétron-pósitron através do novo bóson Z 0 , avaliando a seção de choque total em termos das variáveis de Mandelstam no referencial do centro de massa e em função das larguras de decaimento e acoplamentos deste bóson mediador. Esta abordagem se baseia na possibilidade de se observar tal mecanismo de produção em experimentos realizados com aceleradores de léptons, mais especificamente, colisores elétron-pósitron. Como resultado, a distribuição de possíveis valores para as constantes de acoplamento entre a ME e o MP são investigados segundo os limites de exclusão obtidos pelo experimento Compact Muon Solenoid e pelo satélite Planck. Ademais, mostramos ainda que existem diversas possibilidades para possíveis massas deste novo bóson mediador massivo e para as partículas da ME que ainda recaem fora dos limites de exclusão parametrizados.

Several studies have been dedicated to study the nature of dark matter (DM) and to try to discover its origin. Different approaches have been employed to understand how DM interacts and what are possible mechanisms to detect it. Theories beyond the Standard Model of Elementary Particles (SM) could achieve this by employing effective, simplified, or more complete models. Direct, indirect, and collider searches have excluded much of the parameter space for DM, however still indicating that DM can be made up of particles and mediators of high mass, the latter believed to be of the order of TeV. Hence, this work aims to investigate the interaction between fermions, more specifically electron-positron pairs, and DM particles through interaction of a new massive vector mediator, Z 0 . The production of scalar, fermionic, and vector DM pairs via electron-positron annihilation to this new boson was investigated, evaluating the total cross section in terms of the Mandelstam variables in the center of mass frame and in function of the decay width and the couplings to the massive mediator. This approach is based on the opportunities of observing such production mechanism in electron-positron accelerators. As a result, the possible values of the coupling constants between the DM and the SM are mapped according to the exclusion limits obtained by the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment and the Planck satellite. Furthermore, we show that there are several possibilities for mass ranges of this new massive mediator and for the particles of DM which are not excluded by the collider and astrophysical limits.