[論文レビュー] A Unified Hidden-Sector-Electroweak Model, Paraphotons and the X-Boson

M. J. Neves, J. A. Helayël-Neto|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、異なる対称性の spontaneously broken パターンを介して、TeV スケールの $Z^\prime$ ボソンと17 MeV の $X$-ボソンを実現する、統一された $SU_L(2)\times U_R(1)_J\times U(1)_K$ 角運動量モデルを提案する。このモデルは、ダークマター候補、パラ光子、ダーク光子を一つの枠組みで統合し、$Z^\prime$ スケナリオでは重いヒッグス（1.2{-}3.7 TeV）を予測し、$X$-ボソン スケナリオでは軽いヒッグス（1.9{-}19 GeV）を予測する。フェルミオンとしてのダークマター候補は、右巻きニュートリノと混合することで、異常をキャンセルする。

ABSTRACT

Our contribution sets out to investigate the phenomenology of a gauge model based on an $SU_{L}(2) imes U_{R}(1)_{J} imes U(1)_{K}$-symmetry group. The model can accommodate in its distinct phases - by virtue of different symmetry-breaking patterns - a candidate to a heavy $Z'$-boson at the TeV-scale and the recently discussed $17 \, \mbox{MeV}$ X-boson that may bring about a new physics at the $\mbox{MeV}$-scale. Furthermore, the para-photon of the dark matter sector and the candidate to the so-called dark photon can also be described in the scenario we are endeavoring to set up in this paper. In the $Z'$-scenario, the extended Higgs sector introduces a heavy scalar whose mass lies in the region $1.2-3.7 \, \mbox{TeV}$, while that the lower energy scale scenario presents a light scalar with mass in the interval $1.9-19 \, \mbox{GeV}$. The fermionic sector includes an exotic candidate to dark matter that mixes with the right-neutrino component in the Higgs sector, so that the whole field content yields the cancellation of the U(1)-anomaly. The masses are fixed according to the particular way the symmetry breaking takes place. In view of the possible symmetry breakdown patterns, we study the phenomenological implications in both scenarios of high- and low-energy scales. As examples, we consider the scattering of Standard Model matter into dark sector constituents intermediated by the $Z'$-boson in the $\mbox{TeV}$-scale, and the corresponding scattering intermediated by a lightest boson in the lower scale physics. Furthermore, we obtain the magnetic dipole momentum (MDM) of the exotic fermion and the transition MDM due to the mixing with the right-neutrino.

研究の動機と目的

• 1つの隠れたセクター枠組み内で、TeV スケールの $Z^\prime$ ボソンと17 MeV の $X$-ボソンを統合する統一ゲージモデルを構築すること。
• パラ光子とダーク光子を、統一された $U(1)_K$ 拡張電弱モデルにおける出現状態として記述すること。
• 右巻きニュートリノと混合するエキゾチックフェルミオンを導入することで、異常キャンセリングを保証すること。
• $Z^\prime$ および $X$-ボソンが標準模型（SM）およびダークセクター粒子と相互作用する際の物性的シグネチャを調査すること。
• $\zeta_i$ の1ループレベルでの磁気双極子モーメント（MDM）と、右巻きニュートリノとの混合に起因する遷移MDMを計算すること。

提案手法

• 2段階の対称性の spontaneously broken（SSB）パターンを持つ $SU_L(2)\times U_R(1)_J\times U(1)_K$ ゲージ対称性を仮定する。
• 真空期待値（VEV）を用いてSSBを実装する：$Z^\prime$ スケナリオでは $\langle\Xi\rangle_0 \sim 2.8$ TeV、$X$-ボソン スケナリオでは $\langle\Phi\rangle_0 \sim 246$ GeV、$\langle\Xi\rangle_0 \sim 1.9{-}19$ GeV とする。
• 2つのスケナリオそれぞれに対し、重いスカラー（1.2{-}3.7 TeV）と軽いスカラー（1.9{-}19 GeV）を含む拡張されたヒッグス系を導入する。
• エキゾチックな中性フェルミオン（$\zeta_i$）をダークマター候補として導入し、質量は高エネルギースケールで 0.5{-}1 TeV、低エネルギー スケールで 0.3{-}6.6 GeV とし、右巻きニュートリノと混合することで、カイラル異常をキャンセルする。
• $\zeta_i$ の1ループレベルでの磁気双極子モーメント（MDM）と、右巻きニュートリノとの混合に起因する遷移MDMを計算する。
• $e^+e^- \to X \to \bar{\zeta}_1^\prime \zeta_1^\prime$ および $pp \to Z^\prime \to \text{SM} \to \text{ダークセクター}$ の散乱過程を分析し、QED頂点補正を用いて $X$-ボソンの結合定数を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの統一ゲージモデルが、異なる対称性の破れパターンを介して、TeV スケールの $Z^\prime$ ボソンと17 MeV の $X$-ボソンを同時に実現可能か？
• RQ2 $Z^\prime$ と $X$-ボソンのスケナリオは、ヒッグス系の構造と質量スペクトルにおいてどのように異なるか？
• RQ3 $Z^\prime$ を介したSMとダークセクター粒子間の散乱の物性的インパクトは何か？
• RQ4 エキゾチックフェルミオンと右巻きニュートリノとの混合が、ダークマター候補の磁気双極子モーメントに与える影響は何か？
• RQ5 $X$-ボソンの結合定数が、電子およびミューオンへの軸性結合に与える制約は何か？

主な発見

• ATLASおよびCMSのデータと整合する $Z^\prime$ ボソン質量は約2 TeVであり、これは $u \approx 2.8$ TeV のVEVスケールに起因する。
• $Z^\prime$ スケナリオにおける重ヒッグススカラーの予測質量範囲は、対称性の破れパラメータに依存して1.2{-}3.7 TeVである。
• $X$-ボソン スケナリオでは、隠れたヒッグスの質量は1.9{-}19 GeVに制約され、17 MeV の $X$-ボソンのスケールと整合的である。
• 質量 0.5 TeV の $\zeta_1^\prime$ フェルミオンの1ループレベルでの磁気双極子モーメント（MDM）は、$1.2 \times 10^{-21} \mu_B$ と推定される。
• 電子およびミューオンへの $X$-ボソンの軸性結合は、それぞれ $|\varepsilon_{e_L}| \lesssim 5.3 \times 10^{-5}$ および $|\varepsilon_{\mu_L}| \lesssim 8.7 \times 10^{-5}$ に制限される。
• $X$-ボソンは、$M_{\zeta_1^\prime} = 1$ GeV の場合、$e^+e^- \to X \to \bar{\zeta}_1^\prime \zeta_1^\prime$ の過程を介して、SMとダークセクターの間のポータルを提供する。