Heavy WIMP Effective Theory: Formalism and Applications for Scattering on Nucleon Targets

این کتاب در مورد ماهیت ذرات ماده تاریک و پیامدهای یک تقارن جدید است که زمانی ظاهر می شود که یک ذره فرضی ماده تاریک در مقایسه با ذرات بنیادی شناخته شده سنگین باشد. ماده تاریک وجود دارد و حدود 85 درصد از ماده جهان را تشکیل می دهد، اما نمی توان آن را بر اساس ذرات بنیادی شناخته شده توضیح داد. کشف ماهیت ذرات ماده تاریک یکی از مهم ترین مسائل باز در فیزیک ذرات است. این پایان نامه مفاهیم یک تقارن جدید را به دست می آورد که زمانی ظاهر می شود که ذره ماده تاریک فرضی در مقایسه با ذرات بنیادی شناخته شده سنگین باشد، وضعیتی که به خوبی با نتایج پوچ جستجوها در LHC و جاهای دیگر انگیزه دارد. تقارن جدید یک برهمکنش جهانی بین ماده تاریک و ماده معمولی را پیش‌بینی می‌کند، که به نوبه خود ممکن است برای تعیین نرخ رویداد و انرژی قابل تشخیص در آزمایش‌های آشکارسازی مستقیم ماده تاریک مورد استفاده قرار گیرد. محاسبه ماده تاریک وینو سنگین و هیگزینو ارائه شده در این کار به معیاری برای زمینه تشخیص مستقیم تبدیل شده است. این پایان نامه همچنین زمینه جدیدی از تحقیقات را در تشخیص غیرمستقیم ماده تاریک ایجاد کرده است که با استفاده از روش های موثر نظریه میدان، نرخ نابودی سنگین WIMP را تعیین می کند. این فرمالیسم جدیدی را برای اجرای محدودیت‌های تغییر ناپذیری لورنتس در نظریه‌های غیرنسبیتی توصیف می‌کند، با یک نتیجه شگفت‌انگیز در ترتیب 1/M^4 که با ansatz غالب در 20 سال گذشته ادبیات کوارک سنگین در تضاد است. نویسنده همچنین نتایج QCD آشفته جدیدی را برای ارائه تجزیه و تحلیل قطعی مشاهده‌پذیرهای کلیدی مدل استاندارد مانند عناصر ماتریس اسکالر کوارک سنگین نوکلئون به دست آورده است. این یک پایان نامه تأثیرگذار است که تأثیراتی در پدیدارشناسی ماده تاریک، فرمالیسم نظریه میدان و فیزیک هادرونیک دقیق دارد.

This book is about dark matter’s particle nature and the implications of a new symmetry that appears when a hypothetical dark matter particle is heavy compared to known elementary particles. Dark matter exists and composes about 85% of the matter in the universe, but it cannot be explained in terms of the known elementary particles. Discovering dark matter's particle nature is one of the most pressing open problems in particle physics. This thesis derives the implications of a new symmetry that appears when the hypothetical dark matter particle is heavy compared to the known elementary particles, a situation which is well motivated by the null results of searches at the LHC and elsewhere. The new symmetry predicts a universal interaction between dark matter and ordinary matter, which in turn may be used to determine the event rate and detectable energy in dark matter direct detection experiments. The computation of heavy wino and higgsino dark matter presented in this work has become a benchmark for the field of direct detection. This thesis has also spawned a new field of investigation in dark matter indirect detection, determining heavy WIMP annihilation rates using effective field theory methods. It describes a new formalism for implementing Lorentz invariance constraints in nonrelativistic theories, with a surprising result at 1/M^4 order that contradicts the prevailing ansatz in the past 20 years of heavy quark literature. The author has also derived new perturbative QCD results to provide the definitive analysis of key Standard Model observables such as heavy quark scalar matrix elements of the nucleon. This is an influential thesis, with impacts in dark matter phenomenology, field theory formalism and precision hadronic physics.