[論文レビュー] Scalar technibaryon Dark Matter from vector-like SU(2) Technicolor

Roman Pasechnik, Vitaly Beylin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、1 TeV付近の質量を持つ、ベクトル型の $SU(2)_{\text{TC}}$ 拓撲的色模型における最軽量スカラー技術中間子 $B^0 = UD$ が、樹形レベルでの $Z$ ボソンへのベクトルカップリングがゼロであるため直接検出制約を回避できる、実現可能な暗黒物質候補であると提案する。スピン非依存散乱の主要な機構は、樹形レベルでのヒッグス交換であり、LUX実験データからの制約は $m_{\tilde{\pi}} \ll \Lambda_{\text{TC}}$ のスケール階層と整合的である。

ABSTRACT

In this article, we investigate a potential of the lightest scalar technibaryon state $B^0=UD$ with mass $m_B\sim 1$ TeV naturally predicted by the consistent vector-like $SU(2)_{ m TC}$ two-flavor Technicolor model as a Dark Matter (DM) candidate. The $SU(2)_{ m TC}$ gauge dynamics enables to construct Diract techniquark in confinement from the original chiral multiplets, naturally leading to vector-like nature of weak interactions. We show that two different scenarios with the technibaryon relic abundance formation before and after the electroweak (EW) phase transition epoch lead to symmetric (or mixed) and asymmetric DM, respectively. Such a DM candidate evades existing direct DM detection constraints since its vector coupling to $Z$ boson absents at tree level, while one-loop gauge boson mediated contribution is shown to be vanishingly small close to the threshold. The dominating spin-independent (SI) technibaryon-nucleon scattering goes via tree-level Higgs boson exchange in the $t$-channel. The corresponding bound on the effective technibaryon-Higgs coupling has been extracted from the LUX data and turns out to be consistent with naive expectations from $m_{ ilde \pi}\ll \Lambda_{ m TC}$ scale hierarchy. The latter provides the most stringent constraint to strongly-coupled $SU(2)_{ m TC}$ dynamics so far. Future prospects for direct and indirect scalar T-baryon DM searches in astrophysics as well as in collider measurements have been discussed.

研究の動機と目的

• ベクトル型の $SU(2)_{\text{TC}}$ 2フレーバーの拓撲的色模型において、最軽量スカラー技術中間子 $B^0 = UD$ が暗黒物質候補として実現可能かどうかを検討すること。
• 電弱転移の前後という2つの異なる宇宙論的状況において、技術中間子DMの残り滓密度の生成を分析すること。
• 特にLUX実験からの直接検出制約とモデルの整合性を評価すること。
• これまでで最も厳しい強いつよさ $SU(2)_{\text{TC}}$ 動力学スケールの制約を、技術中間子-ヒッグスカップリングの推定から導出すること。

提案手法

• ディラック型技術クォークを $SU(2)_{\text{TC}}$ ゲージ理論におけるフェルミオン多重項から、コンfinementによって生成し、弱い相互作用がベクトル型になるように保証すること。
• 技術中間子の宇宙論的進化を分析し、電弱転移のタイミングに応じて対称的または非対称的な凍結機構を経て残り滓密度が生成されるかどうかを特定すること。
• 技術中間子-$Z$ ボソンカップリングの樹形レベルおよび1ループ補正を評価し、閾値近辺で1ループ寄与が無視可能であることを示すこと。
• $t$-チャンネルでのヒッグス交換を介したスピン非依存の技術中間子-核子散乱断面積を、有効場理論的手法を用いて計算すること。
• LUX直接検出データを用いて、有効技術中間子-ヒッグスカップリングを制約し、$m_{\tilde{\pi}} \ll \Lambda_{\text{TC}}$ のスケール階層を仮定すること。
• 将来の直接検出、間接検出、および加速器実験によるスカラー技術中間子DMの探索可能性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 TeV付近の質量を持つ最軽量スカラー技術中間子 $B^0 = UD$ は、ベクトル型の $SU(2)_{\text{TC}}$ 拓撲的色模型において、実現可能な暗黒物質候補となるか？
• RQ2 電弱転移のタイミングが、対称的または非対称的暗黒物質の形成に与える影響は何か？
• RQ3 ヒッグスボソンへの大きなカップリングを持つにもかかわらず、なぜ技術中間子は直接検出制約を回避できるのか？
• RQ4 LUXデータから得られる技術中間子-ヒッグスカップリングの制約をもとに、$SU(2)_{\text{TC}}$ 動力学スケールに対する最も厳しい制約は何か？
• RQ5 将来的に、直接検出、間接検出、または加速器実験によってスカラー技術中間子DMを検出する可能性はどの程度か？

主な発見

• 質量が約1 TeVのスカラー技術中間子 $B^0 = UD$ は、ディラック型技術クォークのコンfinementから自然に生じるため、ベクトル型の $SU(2)_{\text{TC}}$ 拡張色模型において実現可能な暗黒物質候補である。
• 電弱転移の前後という2つの異なる宇宙論的状況において、それぞれ対称的・非対称的暗黒物質が得られ、凍結メカニズムに依存する。
• 技術中間子は樹形レベルでの $Z$ ボソンへのベクトルカップリングがゼロであり、閾値近辺の1ループ寄与も無視可能であるため、直接検出制約を回避できる。
• 核子とのスピン非依存散乱の主要な機構は、$t$-チャンネルでのヒッグス交換によるものであり、これが支配的相互作用チャンネルである。
• LUXデータにより、有効技術中間子-ヒッグスカップリングは $m_{\tilde{\pi}} \ll \Lambda_{\text{TC}}$ のスケール階層と整合的であることが制約され、これまでで最も厳しい $SU(2)_{\text{TC}}$ 動力学スケールの制約が得られた。
• 将来の直接検出、間接検出、および加速器実験は、スカラー技術中間子暗黒物質候補の探査または発見に強く期待できる。