Analysis of freeze-in scenario with a scalar Leptoquark and a scalar Dark Matter

Resumen Técnico: Análisis del Escenario de Congelamiento (Freeze-in) con un Leptoquark Escalar y Materia Oscura Escalar

Planteamiento del Problema
Si bien el paradigma de la WIMP (Partícula Masiva de Interacción Débil) ha dominado la investigación de la Materia Oscura (DM), la falta de evidencia experimental en búsquedas directas e indirectas motiva la exploración de mecanismos alternativos. Específicamente, el escenario de "congelamiento" (freeze-in), donde las partículas de materia oscura (FIMPs o Partículas Masivas de Interacción Débil) nunca alcanzan el equilibrio térmico con el baño del Modelo Estándar (SM), ofrece una alternativa viable. Este artículo aborda un vacío en la literatura respecto al mecanismo de freeze-in dentro de un marco que involucra un Leptoquark escalar (LQ) y un candidato de Materia Oscura escalar (SDM). Mientras que estudios previos han explorado los LQs como portales para WIMPs (freeze-out), investigaciones similares para FIMPs son escasas. Los autores pretenden analizar el espacio de parámetros de un modelo donde un escalar singlete real de DM interactúa con un LQ escalar y el Higgs del SM mediante acoplamientos cuárticos renormalizables.

Metodología
El análisis extiende el Modelo Estándar introduciendo un escalar singlete real $\chi$ (DM) y un Leptoquark escalar ($S_1$, un singlete de $SU(2)_L$ con números cuánticos $(\bar{3}, 1, 1/3)$). La estabilidad de la DM se asegura mediante una simetría $Z_2$ ($\chi \to -\chi$). El Lagrangiano incluye términos cinéticos, términos de masa y términos de interacción cuártica:

• Acoplamiento Higgs-DM ($\lambda_{\chi H}$)
• Acoplamiento LQ-DM ($\lambda_{\chi \Delta}$)
• Acoplamiento Higgs-LQ ($\lambda_{H \Delta}$)
• Autocuclamientos para la estabilidad.

La producción de la DM se modela utilizando ecuaciones de Boltzmann en un universo dominado por la radiación. El proceso se divide en dos épocas relativas a la Ruptura de la Simetría Electrodébil (EWSB):

1. Antes de la EWSB ($T > T_{EW}$): La DM se produce principalmente a través de procesos de dispersión $2 \to 2$ ($HH \to \chi\chi$ y $\Delta\Delta \to \chi\chi$).
2. Después de la EWSB ($T < T_{EW}$): La producción de DM está dominada por la desintegración del bosón de Higgs ($h \to \chi\chi$) y la aniquilación de LQs mediada por el Higgs.

Los autores resuelven numéricamente la ecuación de Boltzmann para el rendimiento (yield) $Y = n_\chi/s$ para determinar la densidad de reliquia $\Omega_\chi h^2$. Se impone la condición de freeze-in, asegurando que la tasa de interacción de las partículas del baño hacia la DM permanezca por debajo de la tasa de expansión de Hubble ($\Gamma_{int} < H$) para evitar la termalización.

Contribuciones Clave y Resultados
El estudio explora un espacio de parámetros definido por dos masas ($m_\chi, m_\Delta$) y tres acoplamientos adimensionales ($\lambda_{\chi H}, \lambda_{\chi \Delta}, \lambda_{H \Delta}$). Los hallazgos principales son:

• Restricciones de Acoplamiento:

  • $\lambda_{H \Delta}$: Establecido en la unidad ($\sim 1$), ya que no es responsable de la producción de DM antes de la EWSB y no tiene límites experimentales conocidos de LHC u otras fuentes.
  • $\lambda_{\chi \Delta}$ (Acoplamiento LQ-DM): Para satisfacer la condición de freeze-in (tasa de interacción < tasa de Hubble), este acoplamiento debe ser extremadamente pequeño. Para una masa de DM de 10 GeV y una masa de LQ de 1.5 TeV, el análisis encuentra que $\lambda_{\chi \Delta} \lesssim 10^{-6}$. Esta restricción se mantiene en un amplio rango de masas de DM.
  • $\lambda_{\chi H}$ (Acoplamiento Higgs-DM): Este acoplamiento está restringido de manera diferente antes y después de la EWSB. Antes de la EWSB, $\lambda_{\chi H} \lesssim 10^{-6}$; después de la EWSB, el canal de desintegración $h \to \chi\chi$ requiere un límite mucho más estricto, $\lambda_{\chi H} \lesssim 10^{-10.5}$, para satisfacer la condición de freeze-in. Los autores adoptan $\lambda_{\chi H} \lesssim 10^{-10.5}$ como el límite superior seguro.

• Restricciones de Masa y Densidad de Reliquia:

  • Masa del LQ ($m_\Delta$): El estudio asume una masa de LQ $\ge 1.5$ TeV, consistente con los límites actuales de colisionadores. Los resultados indican que las masas de LQ más pesadas en el baño térmico no alteran significativamente el rendimiento de la DM en el escenario de freeze-in.
  • Masa de la DM ($m_\chi$): A diferencia del escenario de freeze-out, el rendimiento de freeze-in es ampliamente independiente de la masa de la DM. Sin embargo, para coincidir con la densidad de reliquia observada ($\Omega h^2 \approx 0.12$) dados los acoplamientos extremadamente pequeños derivados anteriormente, la masa de la DM está restringida. El análisis concluye que se requiere una DM muy ligera, $m_\chi \lesssim 10$ eV, para reproducir la abundancia de reliquia correcta.

• Consistencia Experimental: Los autores señalan que los acoplamientos diminutos requeridos para el mecanismo de freeze-in ($\sim 10^{-11}$) evaden naturalmente las restricciones de los experimentos de detección directa (ej. XENON1T, LUX) y los límites de desintegración invisible del Higgs, ya que estos límites suelen aplicarse al régimen WIMP o requieren acoplamientos mayores.

Significancia
El artículo afirma llenar un vacío en la literatura proporcionando un análisis fenomenológico detallado del mecanismo de freeze-in involucrando específicamente un Leptoquark escalar y Materia Oscura escalar. La significancia del trabajo radica en demostrar que:

1. Partículas pesadas como los Leptoquarks pueden existir en el baño térmico sin alterar el mecanismo de freeze-in, siempre que sus acoplamientos con el sector oscuro sean suficientemente tenues.
2. La estabilidad del potencial escalar y la perturbatividad no imponen restricciones adicionales significativas más allá de los requisitos estándar de freeze-in.
3. En este marco específico, satisfacer la densidad de reliquia observada requiere un candidato de Materia Oscura ultra ligero ($m_\chi \lesssim 10$ eV) debido a la supresión de las tasas de producción por los pequeños acoplamientos requeridos.

El estudio concluye que el escenario FIMP sigue siendo una alternativa predictiva y viable al paradigma WIMP, particularmente en modelos donde la DM se comunica con el SM a través de portales escalares como los Leptoquarks.