[論文レビュー] Effective Operators for Dark Matter Interactions

Mateusz Duch|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

本学位論文は、標準模型（右手型ニュートリノを含む）と、ゲージ単位スカラー、左・右ヘリシティフェルミオン、およびゲージボソンで構成されるダークマター系に作用する、次元6までの有効オペレーターを分類する。ダークマター粒子に安定性対称性を課したもとで、どのオペレーターがローレンツ不変で、どのオペレーターが木レベルで生成可能で、どのオペレーターがループ補正を必要とするかを特定し、標準模型を超えたダークマターの素描的記述の包括的枠組みを提供する。

ABSTRACT

The aim of this thesis is to determine possible interactions between the Standard Model with right-chiral neutrinos and a sector of dark matter composed of a real scalar, left- and right-chiral fermion and a vector particle, which are singlets of the Standard Model gauge group. In the introductory chapters we review the evidence for dark matter and methods of its detection. In the main part, we present the complete list of gauge singlet operators of dimension not greater than 4, that consist of the standard sector fields. We obtain also an analogous list for the dark matter particles. Using both of them, we find the possible interactions between the two sectors, firstly for the renormalizable theories, then within the effective theory framework with operators up to dimension 6, imposing the stability symmetry condition on each dark matter field. We consider the problem of generation for the effective operators in underlying, renormalizable gauge theory that includes the Standard Model. It is shown, which of the operators can be generated in tree-level approximation and which require a loop.

研究の動機と目的

• 標準模型の場とダークマター場を含む、すべてのゲージ単位オペレーターを次元≤6で体系的に分類すること。
• 標準模型（右ヘリシティニュートリノを含む）と、スカラー、フェルミオン、およびベクトルダークマター候補からなるダークセクターとの間の妥当な相互作用を特定すること。
• 有効オペレーターがUV完全でローレンツ不変な理論でどのように生成されるかを特定し、木レベルとループ誘導生成の違いを明確にすること。
• ダークマター場に安定性対称性を課し、その影響が許可される相互作用構造に与える制約を分析すること。
• すべての可能な低エネルギー相互作用を網羅的にマッピングすることで、ダークマターの素描的研究の基盤を提供すること。

提案手法

• 標準模型の場（右手型ニュートリノを含む）を用いて、次元≤6の完全なゲージ単位オペレーターのリストを構築する。
• ダークマター場の量子数と安定性対称性を尊重した、純粋にダークマター場を含むオペレーターの並列リストを生成する。
• 両方のリストの共通項を特定することで、可視系とダーク系の間のすべての可能な相互作用項を同定する。
• 基礎となるローレンツ不変ゲージ理論におけるオペレーター生成の仕方を検討することで、各有効オペレーターのUV起源を分析する。
• 群論的および対称性に基づく手法を用いて、標準模型ゲージ群およびダークマター安定性対称性の下でのオペレーター分類を行う。
• 各相互作用がUV理論で木レベルで生成可能かどうか、またはループ補正を必要とするかを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型とゲージ単位粒子からなるダークマター系との間で、次元≤6の有効オペレーターはどれか？
• RQ2 これらのオペレーターの中で、UV完全でローレンツ不変な理論で木レベルで生成可能なものはどれか？
• RQ3 UV理論において生成されるためにループ補正を必要とするオペレーターはどれか？
• RQ4 個々のダークマター場に課された安定性対称性は、許可される相互作用構造にどのように制約を加えるか？
• RQ5 標準模型と最小のダークマター系との間のすべての可能な低エネルギー相互作用の完全な分類は何か？

主な発見

• 右手型ニュートリノを含む、標準模型の場と関係するすべてのゲージ単位オペレーター（次元≤6）の体系的導出がなされた。
• スカラー、左・右ヘリシティフェルミオン、およびベクトル粒子からなるダークマター場のみを含むオペレーターのリストが、安定性対称性の制約のもとで構築された。
• 両方のリストの共通項を特定することで、標準模型とダークマター系との間のすべての可能なローレンツ不変および有効相互作用が得られた。
• 一部の有効オペレーターはUV理論で木レベルで生成可能である一方、他のオペレーターはその出現にループダイナミクスを必要することが判明した。
• この分類には、スティュッケルベルク機構とヒッグスポータル相互作用がダークマター結合を媒介する役割を果たすことが含まれている。
• この枠組みは、直接的・間接的検出信号を含む、標準模型を超えたダークマターの素描的研究の完全な基盤を提供する。