[論文レビュー] The FIMP-WIMP dark matter and Muon g-2 in the extended singlet scalar model

Pritam Das, Mrinal Kumar Das+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 53被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、実スカラーノードル、フェルミオン二重項、およびフェルミオンシングレットを含む標準模型の最小限の拡張を提案し、同時に、冷凍生成と冷凍停止メカニズムを介して観測された暗黒物質の残存密度を説明するとともに、ミュオンのg-2異常を解消する。14 TeV LHCにMATHUSLA100/200を組み合わせた場合、10^6 fb⁻¹の光度で、重い電荷を帯びたフェルミオンの軌跡を3件以上検出可能であることが示された。

ABSTRACT

We explore a simplest viable dark matter model with a real singlet scalar, vector-like singlet and doublet fermions. The Yukawa couplings associate with the fermion sector play a crucial role to get the current relic density of the Universe through Freeze-in and Freeze-out mechanism. A solution to muon anomalous magnetic moment is carried out in an economical fashion via the dark matter and light fermion doublet interaction. We discuss the constraints from the recent muon anomalous magnetic moment experimental data and relic density. We also perform the collider analysis for the FIMP dark matter in the context of 14 TeV LHC experiments with the MATHUSLA100/200 detector. Our analysis shows that, one can get enough events $>3$ for heavy charged fermion track at 14 TeV LHC with an integrated luminosity $\mathcal{L}=10^6 ~{ m fb^{-1}}$.

研究の動機と目的

• 観測された暗黒物質の残存密度とミュオンの異常磁気モーメントを同時に説明できる、標準模型の最小限の拡張を構築すること。
• 正しい暗黒物質密度を生成する際に、冷凍生成と冷凍停止メカニズムの相互作用を調査すること。
• 特に14 TeV LHCにおける長寿命な重い電荷を帯びたフェルミオンの検出可能性を検討する、このモデルのコライダー適合性を調査すること。
• 最近のミュオンg-2と暗黒物質の残存密度に関する実験データを用いて、モデルを制約すること。

提案手法

• 標準模型ラグランジアンに実スカラー・ノードル、ベクトルレジームフェルミオン・シングレット、フェルミオン二重項を導入する。
• フェルミオン二重項とシングレットスカラー間のユカワ結合を用いて、ミュオンg-2異常を生成する相互作用を媒介する。
• スカラー系において、冷凍生成と冷凍停止メカニズムの両方を実装し、観測された暗黒物質の残存密度を達成する。
• 14 TeV LHCにおける長寿命な電荷を帯びたフェルミオンのシグネチャをシミュレートするために、MATHUSLA100/200検出器概念を用いたコライダー解析を実施する。
• 統合光度10^6 fb⁻¹における、重い電荷を帯びたフェルミオンの崩壊に起因する検出可能イベント数を計算する。
• 最新のミュオンg-2測定結果とプランクによる暗黒物質の残存密度測定結果に基づいて、制約を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型の最小限の拡張が、観測された暗黒物質の残存密度とミュオンg-2異常の両方を同時に説明できるか？
• RQ2 ベクトルレジームフェルミオンとシングレットスカラーを含むユカワ結合が、ミュオンg-2のずれをどのように生成するか？
• RQ3 冷凍生成と冷凍停止メカニズムが、同じモデル内でどのように共存し、正しい暗黒物質密度を生成するか？
• RQ4 14 TeV LHCにMATHUSLA100/200を組み合わせた場合、長寿命な電荷を帯びたフェルミオンの発見可能性はどの程度か？
• RQ5 統合光度10^6 fb⁻¹の条件下で、重い電荷を帯びたフェルミオンの軌跡に対して3件以上の検出可能イベントを生成できるか？

主な発見

• 本モデルは、シングレットスカラーとベクトルレジームフェルミオンを介した冷凍生成と冷凍停止メカニズムの組み合わせにより、観測された暗黒物質の残存密度を正確に再現する。
• ミュオンの異常磁気モーメントは、暗黒物質と軽いフェルミオン二重項の相互作用に起因するループレベルの寄与によって説明される。
• 本モデルは、最新のミュオンg-2実験データおよびプランクによる残存密度測定結果と整合的である。
• 統合光度10^6 fb⁻¹の条件下では、14 TeV LHCにMATHUSLA100/200を組み合わせることで、長寿命な重い電荷を帯びたフェルミオンに対して3件以上の検出可能イベントが得られる。
• 微調整を必要としない、暗黒物質とミュオンg-2の両方を同時に説明可能なパラメータ空間が本モデルによって予測される。