[論文レビュー] Non-Abelian gauge fields as dark matter

Christian Groß, Oleg Lebedev+1 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、隠れたSU(N)ゲージ群（特にU(1)、SU(2)、SU(3)）に由来する巨大な非アーベルゲージボソンが、弱い相互作用を示す巨大粒子（WIMP）としての暗黒物質候補として成立可能であると提唱する。スカラーの真空期待値による対称性の自発的破れと、固有の離散的対称性（例：U(1)ではZ₂、SU(2)ではZ₂×Z₂′）のおかげで、ゲージボソンは安定化され、ヒッグスポータルを通じて標準模型と弱く結合する。主な結果として、このようなベクトル型暗黒物質候補は、観測された残り滓密度を自然に再現でき、直接的・間接的検出制約とも整合する。

ABSTRACT

SU(N) Lie algebras possess discrete symmetries which can lead naturally to stable vector dark matter (DM). In this work, we consider the possibility that the dark SU(N) sector couples to the visible sector through the Higgs portal. We find that minimal CP-conserving hidden `Higgs sectors' entail stable massive gauge fields which fall into the WIMP category of dark matter candidates. For SU(N), N>2, DM consists of three components, two of which are degenerate in mass. In all of the cases, there are substantial regions of parameter space where the direct and indirect detection as well as relic abundance constraints are satisfied.

研究の動機と目的

• 隠れたU(1)、SU(2)、SU(3)ゲージ群に由来する巨大なゲージボソンが、実現可能なWIMP型暗黒物質候補として機能可能かどうかを検討すること。
• 巨大なゲージボソンの崩壊から保護する離散的ゲージ対称性（例：Z₂、Z₂×Z₂′）を同定すること。
• このような暗黒物質候補の素粒子物理学的性質を検討すること。具体的には、残り滓密度、直接検出、間接検出、ヒッグス混合を含む。
• 任意のSU(N)ゲージ群へのフレームワークの一般化を行い、スカラーの真空期待値がゲージボソンの質量と結合定数に与える役割を分析すること。

提案手法

• ゲージ場とスカラー多重項を含む隠れたセクターのラグランジュアンを構築し、スカラーの真空期待値（VEV）によるヒッグス機構によってゲージボソンに質量を与える。
• 巨大なゲージボソンを崩壊から安定化させる離散的対称性（例：U(1)では電荷共役、SU(2)ではZ₂×Z₂′）を同定する。
• ヒッグスポータル結合 $ \mathcal{L}_{\text{portal}} = -\lambda_{h\phi} |H|^2 |\phi|^2 $ を導入し、暗黒セクターと標準模型ヒッグス場との間の相互作用を媒介する。
• micrOMEGAs 4.1.8 を用いて、暗黒物質の残り滓密度を計算し、ヒッグス交換を通じた直接的および間接的検出信号を評価する。
• SU(3)に対して非微分的ゲージ-スカラー結合 $ \tilde{A}_\mu^a \tilde{A}^{\mu b} \tilde{\varphi}^i \tilde{\varphi}^j $ および $ \tilde{A}_\mu^a \tilde{A}^{\mu b} \tilde{\varphi}^i $ を導出し、VEV $ v_1, v_2 $ に依存する構造を分析する。
• テンソル場とスカラー三重項を用いたSU(3)の対称性の破れを詳細に分析し、$ Z_2 \times Z_2' $ 対称性の下で質量および結合定数の構造を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 隠れたセクターに存在する巨大なSU(N)ゲージボソンは、正しい残り滓密度を持つ実現可能なWIMP型暗黒物質候補として機能可能か？
• RQ2 非アーベルな隠れたセクターにおいて、巨大なゲージボソンを安定化させる離散的対称性は何か？また、U(1)の場合とはどのように異なるか？
• RQ3 SU(3)モデルにおいて、スカラー場の真空期待値に依存するゲージ-スカラー結合定数と質量はどのように変化するか？特に、期待値が不等である場合にどうなるか？
• RQ4 このようなベクトル型暗黒物質の直接的および間接的検出信号は何か？また、実験的制約と比較するとどうなるか？
• RQ5 ヒッグスポータル結合はどのように標準模型との相互作用を媒介するか？また、混合角やスカラー質量にどのような制約を課えるか？

主な発見

• 巨大なU(1)ゲージボソンは、電荷共役に対応する $ Z_2 $ 対称性によって安定化され、実現可能な暗黒物質候補となる。
• SU(2)暗黒物質は $ Z_2 \times Z_2' $ 対称性によって安定化され、第二の $ Z_2 $ が三重ゲージ頂点におけるパリティ破れを防ぐ。
• SU(3)では、SU(2)と類似の素粒子物理学的性質を示すが、複数のVEV（$ v_1, v_2 $）が存在するため、特に $ v_3 = 0 $ の場合に質量および結合定数の構造がより複雑になる。
• 熱的冷凍アウト機構により、ベクトル型暗黒物質の残り滓密度は自然に観測された暗黒物質密度と一致する。
• ヒッグス交換および混合のため、直接検出断面積は抑制され、LEPおよびLHCデータから混合角 $ \theta $ は $ \sin\theta \lesssim 0.3 $ に制限される（$ m_{h_2} \sim \text{TeV} $ の場合）。
• SU(3)モデルでは、非微分的ゲージ-スカラー結合が比 $ \sqrt{v_1^2 + v_2^2}/v_1 $ に依存し、非一様な結合定数が得られ、崩壊チャネルおよび検出率に影響を与える。