[論文レビュー] Candidates for dark matter in the ${SU}(3)_C {SU}(3)_L {U}(1)_N$ models

H. N. Long, N. Q. Lan+2 more|ArXiv.org|Nov 21, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、SU(3)C×SU(3)L×U(1)N（3-3-1）モデルにおけるスカラーおよびフェルミオン的ダークマター候補を特定する。ここで、最も軽いヒッグス粒子—特にCP不変スカラーおよびCP反転不変擬スカラー—は、標準模型のゲージ群に対して単位表現をとる性質から、自己相互作用的ダークマター（SIDM）として機能する。このモデルは追加の対称性を必要とせず、自然にこれらの状態を安定化させる。Spergel-Steinhardtの境界条件により、スカラー候補の質量範囲は4.7–23 MeVに制限され、511 keVのINTEGRAL線と整合的である。

ABSTRACT

It has recently been pointed out that the 511 keV emission line detected by INTEGRAL/SPI from the bulge of our galaxy could be explained by annihilations of light dark matter particles into $e^+ e^-$. We present the possibility that dark matter could be made of scalar candidates, namely, of the Higgs bosons in the models based on ${SU}(3)_C\otimes {SU}(3)_L \otimes {U}(1)_N$ (3-3-1) gauge group. These particles are singlet of the ${SU}(2)_L \otimes {U}(1)_Y$ group, so they do not interact with the ordinary particles, exept the Higgs boson in the standard model. The Spergel-Steinhardt condition for self-interacting dark matter gives a bound on the mass of the candidates to be a few MeVs. Besides the scalar candidates, which exist in both non-SUSY and SUSY 3-3-1 models with right-handed neutrinos, the spin $\fr 1 2$ candidate exists in a variant 3-3-1 version with exotic neutral lepton. In contrast to the singlet models, where an extra symmetry must be imposed to account the stability of the dark matter, here the decay of the candidates is automatically forbidden in all orders of perturbative expansion. This is because of the following feature: these scalars are singlets, i.e., in bottom of the Higgs triplet. Therefore, the standard model fermions and the standard gauge bosons cannot couple with them.

研究の動機と目的

• 3-3-1モデルにおける、自己相互作用的ダークマター（SIDM）基準を満たす実現可能なダークマター候補を同定すること。
• 右巻きニュートリノを含む3-3-1モデルにおいて、軽量ダークマターの電子対への結合による511 keVガンマ線線の生成を説明すること。
• 追加の手動的グローバル対称性を導入する必要なく、ゲージ量子数に起因する自然なダークマター安定性を示すこと。
• 右巻きニュートリノまたは異常中性レプトンを含む3-3-1モデルの変種において、スカラーおよびフェルミオン的ダークマター候補を調査すること。

提案手法

• SU(3)C×SU(3)L×U(1)Nゲージ対称性を持つ3-3-1モデルを構築し、SU(3)L群の下で変換するヒッグストリプレットを含めること。
• 標準模型のSU(2)L×U(1)Yに対して単位表現をとるスカラーおよび擬スカラーのヒッグス状態を同定し、標準模型粒子への最小結合を保証すること。
• 自己相互作用的ダークマター（SIDM）のためのSpergel-Steinhardt条件を用いて、最も軽いヒッグス状態の質量を制約すること。
• 三重項および四重項結合を含むヒッグスポテンシャルを通じてスカラーおよび擬スカラーの質量スペクトルを計算し、軽量のダークマター候補を生成するパラメータを調整すること。
• 最も軽い中性ヒッグス粒子が単位表現であるため、あらゆる摂動的順序で崩壊が禁止されることを適用すること。
• アノマリーキャンセレーション、漸近的自由性、および約4 TeVでの自然な超対称性の出現に関するモデルの整合性を分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3-3-1モデルにおいて、銀河の中心領域からの511 keVガンマ線線は、軽量ダークマターの電子対への結合によって説明可能か？
• RQ2 右巻きニュートリノを含む3-3-1モデルにおけるスカラーヒッグス粒子は、追加の対称性を必要とせずに自己相互作用的ダークマター候補として適切か？
• RQ3 このモデルにおいて、Spergel-SteinhardtのSIDM境界を満たす最も軽いヒッグス状態の質量範囲は何か？
• RQ4 異常中性レプトンを含む3-3-1モデルの変種において、フェルミオン的ダークマター候補の存在と性質にどのような影響を与えるか？
• RQ5 ダークマター候補の自然な安定性は、強制的なグローバル対称性ではなく、ゲージ量子数に起因するか？

主な発見

• 右巻きニュートリノを含む3-3-1モデルにおける最も軽い中性スカラーのヒッグス粒子の質量は4.7–23 MeVの範囲にあり、Spergel-Steinhardt条件によるSIDMの要件を満たしている。
• 最も軽い擬スカラーのヒッグス状態はほぼ質量ゼロ（M₄ ≈ 5 GeV、M₅ = M₆ = 0）であり、自発的対称性の破れに起因する2つのゴルドストーン粒子の存在を示している。
• スカラーのダークマター候補は、標準模型のSU(2)L×U(1)Y群に対して単位表現をとるため、自然に安定している。これにより、ゲージボソンやフェルミオンとの結合が禁止され、標準模型粒子と最小結合される。
• モデルは約5 GeVの軽量の擬スカラーのヒッグス粒子を予測しており、これがループ誘導過程を通じてe⁺e⁻へと結合する場合、511 keV線に寄与する可能性がある。
• 異常中性レプトンを含む3-3-1モデルの変種では、スカラー候補とは別にスピン1/2のダークマター候補が存在し、代替的な候補を提供する。
• ゲージ結合定数のランダウ極限がsin²θW = 1/4で現れるため、約4 TeVで自然な超対称性が実現され、摂動的統一と整合的である。