[論文レビュー] Dark Matters in Gauged B-3L_i Model

Hiroshi Okada|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、2つのダークマター（DM）候補（フェルミオン的右巻きニュートリノ $N^c$ とボソン的インテンス ヒッグス $\theta^0$）を備えたゲージ化された $B-3L_i$ モデルを提案する。TeVスケールでの $B-3L_i$ 対称性の破れと放射的シー・スウ機構を組み合わせることで、1 GeV未塔から10 GeVまでのDM質量が実現される。主な結果として、フェルミオン的DMのスピン不変直接検出断面積は $10^{-52}$ から $10^{-50}$ cm²、ボソン的DMでは $10^{-41}$ から $10^{-40}$ cm²となり、CRESST-II、CoGeNT、DAMA実験と整合的である。

ABSTRACT

We study a dark matter model with local B-3L_i symmetry that is known as anomaly free and requires a single right-handed neutrino. Here we have two dark matter candidates; that is, fermionic or bosonic one. We focus on analyzing each of the case within the light mass region, which is required by the perturbative theory of the Higgs quartic coupling.

研究の動機と目的

• ゲージ化された $B-3L_i$ モデルと放射的シー・スウ機構を用いたダークマター候補の探索。
• レプトン質量行列の構造に依存しない、フェルミオン的（右巻きニュートリノ $N^c$）およびボソン的（インテンス ヒッグス $\theta^0$）DM候補の独立した分析。
• DMの安定性とLHCの非可視崩壊制約、直接検出限界との整合性を確保。
• WMAPの残り質量密度と一致するDMの対消滅断面積を示すパラメータ領域の同定。
• 予測された直接検出断面積がCRESST-II、CoGeNT、DAMAの既存実験データと整合的かどうかの評価。

提案手法

• TeVスケールで自発的対称性破れが起こる $B-3L_i$ ゲージ対称性を導入し、$N^c$ と $\theta^0$ をDM候補とする。
• 次元5および次元6のオペレーターを用いたラグランジアンを構築し、DM系とは独立してニュートリノ質量を放射的シー・スウ機構で生成。
• $N^c$ と $\theta^0$ の安定化のため $\bbZ_2$ 対称性を課し、DMの長寿命性を保証。
• $\theta$, $\rho$, および $\rho'$ フィールドを用いたヒッグスポテンシャルにより、物理的ヒッグス状態 $h$, $H$, および $\theta^\text{neutral}$ を生成し、混合角 $\theta$ を導入。
• ボソン的DMの場合は $s$ チャネルの $h/H$ 交換、フェルミオン的DMの場合は $t/u$ チャネルの $N^c$ 交換によるDM対消滅断面積を計算。
• スピン不変直接検出断面積をヒッグスポータルカップリングを通じて評価し、核子のフォーム因子と有効カップリングを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 右巻きニュートリノ $N^c$ は、$B-3L_i$ ゲージ化放射的シー・スウモデルにおいて、妥当なフェルミオン的ダークマター候補として機能できるか？
• RQ2 中性子インテンス ヒッグス $\theta^0$ は、レプトン質量行列に影響を与えることなく、安定なボソン的ダークマター候補として機能できるか？
• RQ3 フェルミオン的およびボソン的DM候補の直接検出断面積は何か？ そして、これらは現在の実験的制約と整合的か？
• RQ4 DM対消滅断面積は、WMAPの残り質量密度制約とどのように比較されるか？
• RQ5 LHCの非可視ヒッグス崩壊探索から、モデルのパラメータにどのような制約が課されるか？

主な発見

• フェルミオン的DM候補 $N^c$ は、${\cal O}(1)$ GeV から ${\cal O}(10)$ GeV の質量範囲を示し、摂動的性とLEPの制約と整合的である。
• フェルミオン的DMのスピン不変直接検出断面積は、$1$ GeV $\lesssim m_\chi \lesssim 10$ GeV の範囲で $1.0 \times 10^{-52}$ から $1.0 \times 10^{-50}$ cm² である。
• ボソン的DM候補 $\theta^0$ は、$y_\nu L_e \eta N^c$ カップリングによる急速な崩壊を避けるために、$m_{N^c} \lesssim 10$ GeV 未塔の質量を持つ必要がある。
• ボソン的DMのスピン不変直接検出断面積は、$1$ GeV $\lesssim m_\chi \lesssim 10$ GeV の範囲で $5.0 \times 10^{-41}$ から $5.0 \times 10^{-40}$ cm² である。
• モデルはLHCの非可視ヒッグス崩壊制約を満たしており、${\rm Br}_{\rm inv} < 10^{-3}$ であり、$h \to 2\chi$ の幅は既存の制約と整合的である。
• ボソン的DMの予測された直接検出断面積は、CRESST-II、CoGeNT、DAMA実験で報告された信号と整合的である。