Gauged and geometric vector fields at the MeV scale

Abstract

In this thesis, we have studied gauged and geometric vector fields at the MeV scale in two main parts. The basic framework of these two parts are given briefly as follows. In the first part (Chapter \ref{chapter-U(1)}), we have built a family-nonuniversal $U(1)^\prime$ model populated by an MeV-scale sector with a minimal new field content which explains the recent anomalous beryllium decays. Excited beryllium has been observed to decay into electron-positron pairs with a $6.8~\sigma$ anomaly. The process is properly explained by a $17$ MeV proto-phobic vector boson. In this thesis, we consider a family-nonuniversal $U(1)^{\prime}$ that is populated by the $U(1)^{\prime}$ gauge boson $Z^\prime$ and a scalar field $S$. The kinetic mixing of $Z^\prime$ with the hypercharge gauge boson, as we show by a detailed analysis, generates the observed beryllium anomaly. We show that beryllium anomaly can be explained by an MeV-scale sector with a minimal new field content. In the second part (Chapter \ref{chapter-GDM}), we have shown how a light vector particle can arise from metric-affine gravity and how this particle fits the current data and constraints on the dark matter. We show that, metric-affine gravity , which involves metric tensor and affine connection as two independent fields, dynamically reduces, in its minimal form, to the usual gravity plus a massive vector field. The vector $Y_\mu$ is neutral and long-living when its mass range lies in the range $9.4\ {\rm MeV} < M_Y < 28.4\ {\rm MeV}$. Its scattering cross section from nucleons, which is some 60 orders of magnitude below the current bounds, is too small to facilitate direct detection of the dark matter. This property provides an explanation for whys and hows of dark matter searches. We show that due to its geometrical origin the $Y_\mu$ couples only to fermions. This very feature of the $Y_\mu$ makes it fundamentally different than all the other vector dark matter candidates in the literature. The geometrical dark matter we present is minimal and self-consistent not only theoretically but also astrophysically in that its feebly interacting nature is all that is needed for its longevity.

Bu tezde MeV ölçeğinde ayarlı ve geometrik vektör alanları iki ana bölümde çalıştık. Bu iki bölümün ana hatları kısaca aşağıdaki gibidir. İlk kısımda (Bölüm 2) , yakın zamandaki olağan dışı berilyum bozunumlarını her yönüyle açıklayan, minimum yeni alan içeren MeV ölçeğindeki bir sektör ile desteklemiş bir model oluşturduk. Uyarılmış berilyumun elektron-positron çiftine olağan dışı bozunumu $6.8~\sigma$ düzeyinde gözlemlendi. Bu proses 17-MeV'lik proto-phobic bir vektör bozonla açıklanmıştır. Bu tezde, bir $U(1)^\prime$ ayar bozonu $Z^\prime$ ve $U(1)^\prime$ altında yüklü Standard Model (SM) ayar simetrisi altında singlet olan bir $S$ skaler alanından oluşan, fermion ailelerinde evrensel olmayan bir $U(1)^\prime$ ele alıyoruz. SM kiral fermiyon ve skaler alaları $U(1)^\prime$ altında yüklüdür ve biz bu yüklerin anomaliden ari olmalarını sağlıyoruz. Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) matrisi, $S$ tarafından sağlanan yüksek boyutlu Yukawa etkileşimleri ile doğru bir şekilde üretilmektedir. $Z^\prime$'ın birinci fermiyon jenerasyonuna olan vektör ve aksiyal-vektör akım kuplajları çeşitli deneylerden gelen tüm kısıtlamaları sağlamaktadır. $Z^\prime$ bozonu hiperyük ayar bozonu ile kinetik karışım yapabilir ve $S$ SM benzeri Higgs alanına doğrudan kuplaj yapabilir. Detaylı bir analiz ile gösterceğimiz üzere, $Z^\prime$'ın hiperyük ayar bozonu ile kinetik karışımı gözlemlenmiş olan berilyum anomalisini meydana getirir. Bulduğumuz o ki, berilyum anomalisi minimal yeni alan içeren MeV ölçeğindeki bir sektör ile her yönüyle açıklanabilir. Oluşturduğumuz bu minimal model çeşitli olağan dışı SM bozunumlarının tartışılabileceği bir yapıdadır. İkinci kısımda (Bölüm 3), hafif bir vektör parçacığın metrik-afin kütleçekiminden nasıl elde edilebileceğini ve eldeki karanlık madde verilerine ve kısıtlamalarına nasıl fit ettiğini gösterdik. Düz rotasyon eğrilerinden yapı oluşumuna kadar çeşitli olaylar için gerekli olan karanlık madde sadece nötral ve uzun ömürlü değil aynı zamanda bilinen maddeden oldukça izole gibi görünüyor. Burada gösteriyoruz ki metrik tensörü ve afin bağlantısını iki bağımsız alan olarak içeren minimal formdaki metrik-afin kütleçekimi dinamik olarak bilinen kütleçekim artı kütleli bir vektör alana indirgenir. Yalnızca quark, lepton ve kütleçekimle etkileşen $Y_\mu$ vektörü kütle aralığı $9.4\ {\rm MeV} < M_Y < 28.4\ {\rm MeV}$ aralığında iken nötral ve uzun ömürlüdür (evrenin yaşından daha uzun). Karanlık maddenin günümüz kıstlamalarından $60$ mertebe daha aşağıda olan nükleonlardan saçılma tesir kesiti doğrudan keşfedilmeye olanak sağlaması için çok fazla küçüktür. Bu özellik karanlık madde araştırmalarının nedenleri ve nasıllarına bir açıklama sağlamaktadır. Gösteriyoruz ki geometrik doğasından dolayı $Y_\mu$ skaler ve bozonlara kuplaj yapmamaktadır. $Y_\mu$ yalnızca fermiyonlara kuplaj yapmaktadır. $Y_\mu$'nün bu belirgin özelliği kendisini litertürdeki diğer tüm vektör karanlık madde adaylarından farklı kılar. Sunduğumuz geometrik karanlık madde sadece teorik açıdan minimal ve kendi içinde uyumlu değil aynı zamanda astrofiziksel olarak da öyledir, öyle ki zayıf etkileşen doğası uzun ömürlü olması için gerekli olan tek şeydir.