We discuss various phenomenological aspects of axion- and vector-portal and their combination. We give a brief review of what the dark photon and the axion-like particles (ALPs) are, especially focusing on their key features in phenomenology. For the vector-portal physics, we study the interaction mediated by a light gauge boson appearing from a minimal gauge extension of the Standard Model with the $U(1)_{B-L-xY}$ symmetry. We perform a thorough study including the axial coupling that provides very different phenomenology in its production from a heavy particle decay and the parity violation tests. For axion-portal physics, we discuss the radiatively induced flavor-changing ALP couplings in the context of manifestly gauge invariant effective lagrangian. We also examine their implications with a discussion of the possible UV completion providing the origin of the relevant bare ALP couplings. After that, we introduce a new portal, called the “dark axion” portal, that connects the dark photon and the ALP physics. This new portal can be realized not only by a product of two portals, but also by an anomalous triangle loop with an exotic fermion charged under the visible and hidden gauge symmetry and the global Peccei-Quinn symmtery. Although laboratory experiments might be pessimistic to catch the signals of ALPs or dark photons via the dark axion portal due to their lightness and feeble interactions to the visible sector, astrophysical and/or cosmological implications may reveal the truth about dark axion portal with its own phenomenological consequences. For the start, we investigate the photon-ALP-dark photon oscillations in the presence of the background dark photon field and the usual external magnetic field and examine the gamma-ray spectral modulations of point-like sources. We also discuss new mechanisms to produce the dark photon in the early universe with the help of the axion using the dark axion portal. We will see that the dark photon can be a dark matter candidate if its lifetime is long enough.
이 논문에서는 액시온 포털과 벡터 포털 그리고 그들의 결합에 관한 다양한 현상들에 대해 논의한다. 먼저 암흑광자와 유사 액시온 입자에 대해 개략적으로 설명을 한 후 몇몇 현상들을 나타내는 각 입자의 중요한 성질에 대해 집중적으로 살펴본다. 암흑광자의 경우, 표준모형 입자와의 상호작용이 비대칭한 경우에 대해 알아본다. 비대칭적인 상호작용은 무거운 입자의 붕괴에 의한 암흑광자의 생성과 패리티 대칭성 실험에 대해 매우 다른 현상을 나타내게 된다. 이러한 현상을 조사하기 위해 표준 모형에서 최소한으로 확장할 수 있는 모델 중 하나인 $U(1)_{B-L+xY}$ 게이지 모델에 대하여 살펴본다. 유사 액시온 입자의 경우, 게이지 대칭적인 유효 라그랑지안에서 양자고리효과에 의해 유도되는 플레이버 변환 상호작용에 대하여 논의한다. 이러한 상호작용의 근본적인 기원에 관한 고에너지 완성 이론에 대해 논의하고 이에 대한 이해를 바탕으로 실험에서 나타나는 현상들에 대해 살펴본다. 다음으로 암흑광자와 유사 액시온 입자를 연결하는 암흑 액시온 포털이라 불리는 새로운 상호작용에 대해 살펴본다. 이러한 새로운 상호작용은 단순히 두 상호작용을 결합시켜 나타나는것만이 아닌 양자적인 현상으로 생겨날 수 있다. 입자들의 작은 질량과 약한 상호작용은 작은 규모의 실험보다는 천체학적인 또는 우주론적인 규모의 실험에서 새로운 물리에 대한 실마리를 제공한다. 암흑광자장이 배경으로 퍼져있을때 암흑 액시온 포털을 통한 광자와 암흑광자 그리고 유사 액시온 입자 사이의 양자적 교환에 대해 논의하고 이를 바탕으로 몇몇 위성에서 관측된 감마선 스펙트럼 진동에 대해 살펴본다. 또한 이른 우주에서 암흑 광자를 생성하는 새로운 메커니즘에 대해 알아본다. 특히 암흑 광자의 붕괴시간이 충분히 길어 안정적이라면 암흑물질의 후보군이 될 수 있다.
