[論文レビュー] Neutron Dark Matter Decays

A. N. Ivanov, Roman Höllwieser+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2018

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 63被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、中性子の寿命に関するパズルを解明するため、2つのダークマター崩壊モード $n \to \chi + \nu_e + \bar{\nu}_e$ および $n \to \chi + e^- + e^+$ を導入することで、新たな説明を提示する。ここで $\chi$ はダークマターのディラックフェルミオンである。従来のモデルとは異なり、$n \to \chi + e^- + e^+$ モードが検出不能であっても、Fierz干渉によってボトル実験とビーム実験の結果の差異を解消できることが示され、LHCおよび天体的制約を満たすUV完全な $SU_L(2)\times U_R(1)\times U_R'(1)\times U_L''(1)$ ゲージ理論モデルが提示される。

ABSTRACT

We analyse the discrepancy between the neutron lifetimes measured in the bottle and beam experiments. Following Fornal and Grinstein (Phys. Rev. Lett. 120, 191801 (2018)) we propose an explanation of such a puzzle by the dark matter channels of the neutron decay. However, unlike Fornal and Grinstein in addition to the dark matter decay channel n -> χ+ e^- + e^+, where χis a dark matter Dirac fermion and (e^-e^+) is an electron--positron pair, we assume the existence of the dark matter channel n -> chi + ν_e + \barν_e, where ν_e \barν_e is the electron neutrino-antineutrino pair. This allows to describe the discrepancy between the measurements of the neutron lifetime even in case of an unobservability of the dark matter decay channel n -> χ+ e^- + e^+, which may be below the reaction threshold. The existence of the coupling n -> χ+ e^- + e^+ can be observed experimentally by measuring electron-neutron scattering e^- + n -> χ+ e^- at very low electron energies, induced with the strength as of the decay n -> χ+ ν_e + \barν_e$. We propose a gauge invariant quantum field theory model with SU_L(2) imes U_R(1) imes U_R'(1) imes U''_L(1) symmetry for the UV completion of the effective (nχ\ell \bar{\ell}) interaction, where \ell(\bar{\ell}) is electron (positron) or neutrino(antineutrino).

研究の動機と目的

• ボトル実験とビーム実験における中性子寿命測定値の間にある継続的な1%の差異を解消すること。
• フォルナルとグリニンのダークマター崩壊仮説を拡張し、$n \to \chi + \nu_e + \bar{\nu}_e$ モードを主要寄与者として含めること。
• $SU_L(2)\times U_R(1)\times U_R'(1)\times U_L''(1)$ 対称性を備えたゲージ不変な量子場の理論モデルを構築し、有効な $(n\chi\ell\bar{\ell})$ 相互作用をUV完備化すること。
• このモデルがLHCの制約、中性子星の冷却、ダークマター生成の制限と矛盾しないことを示すこと。
• $n \to \chi + e^- + e^+$ モードが実験的に観測不能であっても、Fierz干渉によって中性子寿命に影響を与える可能性を示すこと。

提案手法

• 電子-陽電子およびニュートリノ-反ニュートリノの最終状態を含む、$n \to \chi + \ell + \bar{\ell}$ の有効な低エネルギー相互作用ラグランジアンを導入する。
• 有効相互作用を実現するため、$SU_L(2)\times U_R(1)\times U_R'(1)\times U_L''(1)$ ゲージ対称性を持つUV完全な量子場理論モデルを構築する。
• 低エネルギーでの $e^- + n \to \chi + e^-$ の振幅を、$n \to \chi + \nu_e + \bar{\nu}_e$ モードに起因するものとして導出し、結合定数を調べる。
• クォーク凝集体 $\langle \bar{d}d \rangle = -(0.240\,\text{GeV})^3$ を用いて、$q\bar{q} \to \chi\bar{\chi}$ の抑制スケール $\Lambda_{\rm DM} \geq 790\,\text{GeV}$ を推定する。
• $t$-チャネルの $u_j\bar{u}^j \to \chi\bar{\chi}$ 过程を用いて、$|\xi_\chi| \sim 1/\Lambda_\chi^4$ を推定し、$\Lambda_\chi \sim 2.4\,\text{GeV}$ がATLASの制約と整合的であることを示す。
• 中性子星の冷却を、URCA様の過程 $n+n \to \chi+\chi$、$n+n \to \chi+\chi+\nu_e+\bar{\nu}_e$、および $\chi+\chi \to n+n$ として分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 もし $n \to \chi + e^- + e^+$ モードが閾値以下であれば、$n \to \chi + \nu_e + \bar{\nu}_e$ モードだけでも中性子寿命の差異を解消できるか？
• RQ2 $n \to \chi + e^- + e^+$ モードが実験的非観測と整合的であるにもかかわらず、Fierz干渉によって中性子寿命に影響を与える仕組みは何か？
• RQ3 ゲージ不変性と異常を避けることを保証する、有効な $(n\chi\ell\bar{\ell})$ 相互作用のUV完備化は何か？
• RQ4 提案されたダークマター崩壊モードは、LHC、中性子星の冷却、ダークマター生成の制約と矛盾するか？
• RQ5 このモデルは、中性子星で冷却速度を増加させるURCA様の過程を支持できるか？

主な発見

• モデルは、$n \to \chi + e^- + e^+$ モードが観測可能でなくても、$n \to \chi + \nu_e + \bar{\nu}_e$ モードのみで1%の差異を説明可能である。
• 中性子 $\beta^-$ 衰変におけるFierz干渉項は $b \sim -10^{-2}$ と予測され、標準模型を越えた寄与が顕著であることを示唆する。
• $SU_L(2)\times U_R(1)\times U_R'(1)\times U_L''(1)$ ゲージ対称性を持つUV完全モデルは、有効相互作用を実現し、Adler-Bell-Jackiw異常を回避する。
• $q\bar{q} \to \chi\bar{\chi}$ の抑制スケールは $\Lambda_{\rm DM} \geq 790\,\text{GeV}$ と推定され、ATLASによるダークマター生成の制約と整合的である。
• モデルは中性子星でURCA様の過程 $n+n \to \chi+\chi$、$n+n \to \chi+\chi+\nu_e+\bar{\nu}_e$、および $\chi+\chi \to n+n$ を許容し、冷却速度の増加をもたらす可能性を有する。
• 結合定数は $|\xi_\chi| \sim 1/\Lambda_\chi^4$ と推定され、$\Lambda_\chi \sim 2.4\,\text{GeV}$ であり、低エネルギーの電子-中性子散乱信号と整合的である。