[論文レビュー] Singlet-Doublet Fermion Origin of Dark Matter, Neutrino Mass and W-Mass Anomaly

Debasish Borah, Satyabrata Mahapatra+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 15被引用数 44

ひとこと要約

本稿では、CDF Wボソン質量異常、放射線的ニュートリノ質量生成、および実現可能なダークマターの素性を同時に説明する二世代のシングレット・ダブルレットメジャノンフェルミオン模型を提案する。重いフェルミオン世代がループ図を通じてWボソン質量を補正する一方、軽い世代がダークマターを担い、追加のZ2奇性スカラーが1ループレベルでのニュートリノ質量生成を可能にする。これらは全般的にリlic密度および直接検出制約と整合的である。

ABSTRACT

Motivated by the recently reported anomaly in W boson mass by the CDF collaboration with $7\sigma$ statistical significance, we consider a singlet-doublet (SD) Majorana fermion dark matter (DM) model where the required correction to W boson mass arises from radiative corrections induced by SD fermions. While a single generation of SD fermions, odd under an unbroken $Z_2$ symmetry, can not explain the W boson mass anomaly while being consistent with DM phenomenology, two generations of SD fermions can do so with the heavier generation playing the dominant role in W-mass correction and lighter generation playing the role in DM phenomenology. Additionally, such multiple generations of SD fermions can also generate light neutrino masses radiatively if a $Z_2$-odd singlet scalar is included.

研究の動機と目的

• 標準模型のBSM拡張を用いて、7σのCDF Wボソン質量異常を説明すること。
• 1ループ機構を介して非ゼロの軽いニュートリノ質量を同時に説明すること。
• リlic密度および直接検出制約と整合的な実現可能なダークマター候補を実現すること。
• 追加のZ2奇性スカラーを有する二世代のシングレット・ダブルレットメジャノンフェルミオン模型の妥当性を調査すること。
• 統一的な枠組みを通じて、Wボソン質量異常とダークマター素性を調和させること。

提案手法

• 破れのないZ2対称性を有する二世代のシングレット・ダブルレットメジャノンフェルミオン模型を導入する。
• Z2奇性のシングレットスカラーを組み込み、ダークセクター粒子を含むループを介して1ループレベルでのニュートリノ質量生成を可能にする。
• 重いフェルミオン世代からの放射線補正を用いて、Wボソン質量異常を説明する。
• micrOMEGAsを用いて数値的リlic密度計算を行い、ダークマターのパラメータ空間を制約する。
• XENON1Tの直接検出およびLEPの電荷を帯びたフェルミオン質量に関する制約を適用する。
• 各世代の3×3質量行列を対角化し、物理的メジャノン状態およびそれらの質量を求める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二世代のシングレット・ダブルレットメジャノンフェルミオン模型は、ダークマター素性と整合的であるか、CDF Wボソン質量異常を説明できるか？
• RQ2 Z2奇性スカラーの導入により、このような模型がダークセクター粒子を含む1ループレベルで非ゼロの軽いニュートリノ質量を生成できるか？
• RQ3 なぜ単一の世代では、W質量異常とダークマター制約の両方を満たすことが不可能なのか？
• RQ4 相補的消失とヒッグス媒介消失の相対的寄与が、異なる質量スプリング領域におけるリlic密度にどのように影響するか？
• RQ5 モデルのパラメータ空間において、W質量補正、ニュートリノ質量生成、およびダークマター制約の相互作用はいかなるものか？

主な発見

• シングレット・ダブルレットフェルミオンの単一の世代では、DMがディラック粒子であれメジャノン粒子であれ、Wボソン質量異常を説明すると同時にダークマター制約を満たすことは不可能である。
• 二世代のモデルでは、重いフェルミオンがW質量補正を支配する一方、軽いフェルミオンがメジャノンダークマター候補として実現可能である。
• Z2奇性のシングレットスカラーの導入により、ダークセクター粒子を含むループを介した1ループニュートリノ質量生成が可能になる。
• 正しいリlic密度およびXENON1Tの直接検出制約を満たすパラメータ空間は、特に低質量領域で顕著に制約を受ける。
• 質量スプリングが大きい場合（∆M ≥ 50 GeV）、リlic密度はヒッグス媒介消失が支配的であるのに対し、スプリングが小さい場合には相補的消失が支配的である。
• 本模型は、最小的で再規格化可能な枠組み内で、CDF Wボソン質量異常（80433.5 ± 9.4 MeV）をダークマターおよびニュートリノ質量生成と調和させることに成功している。