[論文レビュー] The $B$ Anomalies, the $U_1$ Leptoquark and Dark Matter

G. Bélanger, Jacky Kumar+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 74被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ベクトル型U1レプトクォークがB異常を説明するとともにスカラーモデルの単一スケール暗黒物質（SSDMM）における暗黒物質（DM）相互作用を媒介する統一的モデルを提案する。U1-DM結合を導入することで、SS → U1Ū1 によるDM対消滅が強化され、SSggおよびSSγγのループ誘導型カップリングが生成され、DM質量およびカップリングに対する制約が緩和される。主な結果として、SSDMMはより軽いDM（約1.3 TeVまで）に対して有効となり、より重いDMでは摂動的でないカップリングを回避することができ、今後の間接検出実験によってこのモデルが探査可能となる。

ABSTRACT

The present-day $B$-anomalies involving $b o s \mu^+ \mu^-$ or $b o c au^- {\bar u}$ transitions can all be explained with the addition of a vector $U_1$ leptoquark with a mass of $M_{U_1} \ge 1.8$ TeV. In the scalar singlet dark matter model (SSDMM), the DM is a scalar $S$ that couples to the Higgs via $\lambda_{hS} \, S^2|H|^2$. We update the fit to the data and find that the SSDMM is now viable only for $M_S \ge 1.6$ TeV. In this paper, we assume that the DM also couples to the $U_1$ via $\lambda_{U_1 S} \, S^2 \, U_{1\mu}^{\dagger} U^{\mu}_1$. In addition to leading to DM annihilation via $S S o U_1 {\bar U}_1$, this coupling generates $SSgg$ and $SS\gamma\gamma$ couplings at one loop. Although naively divergent, these loop diagrams can be calculated under the assumption that the $U_1$ is a gauge boson of a group broken at the TeV scale. With this DM-$U_1$ coupling term, there are additional contributions to the various DM observables (relic density, direct and indirect detection). We find that the constraints on the SSDMM are relaxed for both heavy DM ($M_S \ge M_{U_1}$) and light DM ($M_S < M_{U_1}$).

研究の動機と目的

• 2021年PandaX-4T直接検出制約を反映した最新の制約のもとで、DM質量が約1.6 TeV未満の領域で強く制約を受けるスカラーモデルの単一スケール暗黒物質（SSDMM）の矛盾を解消する。
• DMをU1レプトクォークに結合させることで、リリック密度、直接検出、間接検出からの厳しい制約が緩和されるかどうかを検討する。
• U1を質量のあるゲージボソンとして扱い、発散する可能性のあるループ図を正則化する手法を用いて、U1を介したループ誘導型SSggおよびSSγγカップリングを有限な値として計算する。

提案手法

• 質量が1.8 TeVを超えるU1レプトクォークを導入し、左巻きのカップリングにより、中性荷電および電荷変換のB異常を同時に説明する。
• SSDMMにYukawaカップリング λU1S S² U₁†μ U₁μ を追加することで、DM相互作用を媒介する。
• TeVスケールでの自発的対称性の破れを伴うU(1)ゲージ理論の枠組みを用いて、SSggおよびSSγγカップリングへの1ループ寄与を計算する。
• SMヒッグス粒子のカップリング（hgg、hγγ）との類似性を応用し、発散するループ図を正則化し、有限な振幅を計算する。
• リリック密度、直接検出（核子散乱を介して）、および間接検出（γγおよびgg最終状態を介して）のDM観測量を総合的にフィットする。
• U1結合が、MU1に比べてDM質量が軽いか重いかに応じた異なるDM質量領域におけるSSDMMの有効性に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一のU1レプトクォークが、b → sμ+μ−およびb → cτ−νのB異常を同時に説明しつつ、すべての既存制約を満たすことができるか？
• RQ2 スカラーダークマターをU1レプトクォークに結合させることで、SSDMMにおけるリリック密度および直接検出制約にどのような影響を与えるか？
• RQ3 U1を質量のあるゲージボソンとして扱った場合、SSggおよびSSγγカップリングへの有限な1ループ寄与はどのように計算されるか？
• RQ4 U1を介した対消滅チャンネル SS → U1Ū1 は、特に重いDMに対して、SSDMMにおけるヒッグスポータルカップリング λhS の必要値を低下させるか？
• RQ5 今後の間接検出実験（例：CTA）は、U1-DM結合を有する修正されたSSDMMを、排除または制約できるか？

主な発見

• 2021年PandaX-4T直接検出制約を反映した最新の制約のもとで、スカラーモデルの単一スケール暗黒物質（SSDMM）は、DM質量 MS ≥ 1.6 TeV の場合にのみ有効である。
• 重いDM（MS > MU1）の領域では、U1を介した対消滅チャンネル SS → U1Ū1 が、非摂動的領域を避けるために必要なヒッグスポータルカップリング λhS を低下させる。
• 軽いDM（MS < MU1）の領域では、ループ誘導型のSSggカップリングが追加の対消滅チャンネルを提供し、ヒッグスポータル寄与と破壊的干渉が生じることで、直接検出制約がさらに緩和される。
• λU1S = 3 の場合、対消滅効果および干渉効果のおかげで、最小有効DM質量は約1.6 TeVから約1.3 TeVにまで低下する。
• MS = 400 GeV の場合、予測される SS → γγ 戦略的断面積は約5.5 × 10⁻³¹ cm³/s、MS = 1000 GeV の場合は約9.7 × 10⁻³⁰ cm³/s であり、現在のFermiLATおよびH.E.S.S.の限界よりもはるかに小さいが、今後のCTA観測によって到達可能である。
• U1交換を介したtチャンネル過程 pp → ℓ+ℓ−SS における断面積は、λU1S ~ O(1) および MU1 > 1.8 TeV の条件下で非常に小さく（σ ~ 10⁻⁶ pb）、観測可能ではない。