[論文レビュー] A Brief Review on WIMPs in 331 Electroweak Gauge Models

P. S. Rodrigues da Silva|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、$SU(3)_c \otimes SU(3)_L \otimes U(1)_X$ゲージ群に基づく331電弱模型における、弱い相互作用をもつ大質量粒子（WIMPs）を冷たい暗黒物質候補としてレビューする。2つのバリエーション—331RH$\nu$と331LHN—に焦点を当て、WIMPsを安定化する対称性を分析した結果、331LHNではTeVスケールのスカラーWIMPが残存密度および直接検出と整合的である一方、$Z'$ボソンの制約により対称性の破れスケールが$v_{\chi'} \gtrsim 10$ TeVに押し上げられる。

ABSTRACT

In this work we review the cold dark matter problem in the context of a class of models which are a simple extension of the electroweak standard model, where the gauge symmetry is dictated by the group structure, $SU(3)_c\otimes SU(3)_L\otimes U(1)_X$. This model, in different versions, has been able to address many interesting facts not explained by the standard model. It would be just desirable that the dark matter issue could be contemplated as well, since the problem of the missing matter has become one of the greatest indications of incompleteness of currently established theories describing the known interactions and the cosmological evolution and content of the observed Universe. We do that by pointing out some of the successful steps in this direction and remarking some sources of difficulties concerning their phenomenological and theoretical implementation.

研究の動機と目的

• 拡張されたゲージ対称性を有する331模型が自然に安定なWIMP暗黒物質候補を収容できるかどうかを評価すること。
• 高次元オペレーターを通じた崩壊からWIMPsを保護するためのグローバルおよび離散的対称性の役割を検討すること。
• 宇宙論的、加速器実験的、直接検出的制約に対する331RH$\nu$および331LHN模型におけるWIMPsの実験的妥当性を評価すること。
• 両モデルの変種間で、残存密度、直接検出断面積、$Z'$ボソン質量の制約を比較すること。

提案手法

• 331RH$\nu$および331LHN模型における$SU(3)_c \otimes SU(3)_L \otimes U(1)_X$ゲージ構造およびフェルミオン内容を分析する。
• 自発的対称性の破れおよび重力的効果の下でのスカラーおよびフェルミオン的WIMPsの安定性を評価する。
• 有効場理論的手法を用いて、次元5および次元6オペレーターを通じたWIMP崩壊率を計算する。
• 残存密度の計算および直接検出断面積の推定を用いて、PlanckおよびLUXデータと整合するかをテストする。
• 電弱精度測定および非可視崩壊モードから導かれる$Z'$ボソン質量の制約を課す。
• 331LHNにおける最も軽い中性フェルミオンの安定化を図るため、スピン統計に類似した離散的W対称性を導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 331RH$\nu$模型は、レプトン数対称性によって保護される安定なWIMP候補を提供できるか。重力的補正の影響は何か。
• RQ2 331LHN模型は、新たな左巻き中性フェルミオンを通じてどのように妥当なWIMP候補を生成するか。その安定性を保証する対称性は何か。
• RQ3 両331模型におけるWIMP質量および$Z'$ボソン質量に関する宇宙論的および現象論的制約は何か。
• RQ4 直接検出断面積および残存密度の計算が、スカラーおよびフェルミオン的WIMPsのパラメータ空間をどのように制限するか。
• RQ5 331LHN模型は、LHCヒッグスデータおよび$Z'$の制約と整合しながら、銀河中心のガンマ線過剰を説明できるか。

主な発見

• 331RH$\nu$模型では、重力的効果によりスカラーWIMPの寿命が$\tau \approx 10^{43}$ sにまで延び、自発的対称性の破れにもかかわらず実質的に安定である。
• 331RH$\nu$模型における質量が約1 TeVのスカラーWIMPは、残存密度および直接検出の両方の制約と整合的である。
• 331LHN模型では、レプトン数破れを示す有効オペレーターのため、グローバル$U(1)_G$対称性はWIMPを安定化できない。これに代えて、新たな離散的W対称性が必要となる。
• W対称性を導入した331LHN模型では、$m_\phi \gtrsim 500$ GeVおよび$v_{\chi'} \gtrsim 10$ TeVのスカラーWIMPが、$Z'$質量の制約およびLUX直接検出限界と整合的である。
• 331LHNにおける最も軽い重い中性フェルミオン$N_1$は、質量が約1 TeVの妥当なWIMPとなり得る。これは残存密度および直接検出と整合的であり、$M_N \lesssim 1$ TeVの場合$M_{Z'} \gtrsim 2$ TeVである。
• モデルは$m_\phi \lesssim 40$ GeVの範囲で銀河中心のガンマ線過剰を説明できるが、LHCヒッグスデータにより$m_\phi \lesssim 60$ GeVでは2WIMPへの分岐比が90%以上に予測されるため、この領域は除外される。