Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.1 Massless and Massive Dark Photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.1.1 Kinetic Mixing: Electric or Hyper-Charge? . . . . . . . . . . . .
5
1.1.2 Embedding in a NonAbelian Group . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
1.2 UV Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
1.2.1 Massive Dark Photon: Origin and Size of the Mixing
Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.2.2 Massless Dark Photon: Higher-Order Operators . . . . . . . . .
8
1.3 Dark Matter and the Dark Photon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.1 Massless Dark Photon and Galaxy Dynamics . . . . . . . . . . 10
1.3.2 Massless Dark Photon and Dark-Matter Relic
Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.3 Massive Dark Photon and Light Dark Matter . . . . . . . . . . 12
1.3.4 Massive Dark Photon as Dark Matter . . . . . . . . . . . . . . . . 14
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2 Phenomenology of the Massless Dark Photon . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1 Limits on the Dark Dipole Scale d M =K
2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
2.1.1 Astrophysics and Cosmology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1.2 Precision, Laboratory and Collider Physics . . . . . . . . . . . . 27
2.1.3 Can the Massless Dark Photon Be Seen at All? . . . . . . . . . 31
2.2 Limits on Milli-Charged Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3 A Minimal Model of the Dark Sector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.1 Constraints on the UV Model Parameters . . . . . . . . . . . . . 37
2.4 Future Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3 Phenomenology of the Massive Dark Photon . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.1 Production, Decays and Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2 Visible and Invisible Massive Dark Photon . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
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