[論文レビュー] The KSVZ Axion and Pseudo-Nambu-Goldstone Boson Models for the XENON1T Excess

Tianjun Li|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、2.5 keVの軸子様粒子（ALP）であるダークマター候補を用いてXENON1Tの電子反動過剰を説明するための3つのモデル——KSVZ軸子、DFSZに類似したモデル、および$Z_8/U(1)_X$擬スカラーボソン（PNGB）フレームワーク——を提案する。これらのモデルは、ベクトル型レプトンを介して必要な$g_{ae} \sim 2.5 \times 10^{-14}$の結合を生成し、異常フリーなゲージ対称性または微調整された結合によって$g_{a\gamma}$を抑制する。一方、次元8の演算子によってkeVスケールのPNGB質量が自然に生じる。

ABSTRACT

The XENON1T excess can be explained by the Axion Like Particle (ALP) dark matter with mass around 2.5 keV. However, there are three problems needed to be solved: suppressing the coupling $g_{aγ}$ between the ALP and photon, and generating the proper coupling $g_{ae}$ between the ALP and electron as well as the correct ALP mass. We propose three models to solve these problems. In our models, the $g_{ae}$ couplings are produced by integrating out the vector-like leptons, and the correct ALP masses arise from high-dimensional operators. In the KSVZ axion model, the coupling $g_{aγ}$ can be suppressed by choosing proper sets of vector-like fermions, but we need some fine-tunings to obtain the ALP mass. Similarly, one can study the DFSZ axion model. In the $Z_8$ and $ U(1)_X$ models with approximate Pseudo-Nambu-Goldstone Bosons (PNGBs), the coupling $g_{aγ}$ is suppressed due to $SU(3)_C imes U(1)_{ m EM}$ anomaly free. In the $Z_8$ model, the PNGB mass can be generated naturally at the keV scale via the dimension-8 operator. To solve the PNGB quality problem in the $ Z_8$ model, we embed it into the model with $ U(1)_X$ gauge symmetry.

研究の動機と目的

• 2.5 keVの軸子様粒子（ALP）ダークマター候補を用いて、XENON1Tの2–3 keVの電子反動過剰を説明すること。
• 観測上限を超えないように$g_{a\gamma}$を抑制しつつ、必要な$g_{ae} \sim 2.5 \times 10^{-14}$を生成すること。
• 高次元演算子を用いて微調整を必要とせず、keVスケールのALP質量を自然に生成すること。
• $U(1)_X$ゲージ拡張を用いて$Z_8$対称性を持つモデルにおけるPNGBの品質問題を解決すること。

提案手法

• 重いフェルミオンを積分することで$g_{ae}$結合を生成するため、ベクトル型レプトンを導入する。
• $SU(3)_C \times U(1)_{\rm EM}$の異常フリーな$U(1)_X$ゲージ対称性を実装し、PNGBモデルにおける$g_{a\gamma}$の自然な抑制を実現する。
• $Z_8$モデルにおいて、次元8の演算子$S^8 T^2$を用いてkeVスケールのPNGB質量を生成する。
• $y^{XE}_{ik}$ヤコビ係数の寄与を防ぐために$Z_2$対称性または5次元のバルク/ブレーン構成を導入し、望ましくない$g_{a\gamma}$寄与を抑制する。
• $T$のストリングスケールの期待値により$U(1)_X$を$Z_8$に対称性破れし、$\frac{y}{M^6_{\rm Pl}}\langle T\rangle^2 > \frac{1}{M^5_{\rm Pl}}|y'\langle T\rangle|$を満たすことでポテンシャルを安定化する。
• $Z_8$モデルを$U(1)_X$フレームワークに埋め込むことで、PNGBの品質問題を解決し、$g_{a\gamma}$の抑制を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2.5 keVのALPダークマター候補が$g_{ae} \sim 2.5 \times 10^{-14}$かつ$g_{a\gamma}$が抑制された状態で、XENON1Tの過剰を説明できるか？
• RQ2 微調整を避けつつ$g_{ae}$を生成し、$g_{a\gamma}$を観測上限以下に保てるか？
• RQ3 異常フリーなモデルにおいて、高次元演算子から自然にkeVスケールのPNGB質量が生じるか？
• RQ4 $Z_8$対称性を持つモデルにおけるPNGBの品質問題はどのように解決できるか？
• RQ5 $U(1)_X$ベースのモデルにおいて、$SU(3)_C \times U(1)_{\rm EM}$の異常フリー性によって$g_{a\gamma}$を抑制できるか？

主な発見

• XENON1Tの過剰は、$g_{ae} = 2.5 \times 10^{-14}$の2.5 keVのALPダークマター候補によって説明可能であり、星の冷却制約と整合的である。
• KSVZモデルでは、ベクトル型フェルミオンの選択により$g_{a\gamma}$が抑制されるが、ALP質量の生成には微調整が必要である。
• $Z_8$モデルでは、次元8の演算子$\frac{y}{M^6_{\rm Pl}}|T^2||S|^8$を介してPNGB質量が自然にkeVスケールに生成され、$m_a \sim 2.5$ keVとなる。
• $U(1)_X$拡張された$Z_8$モデルは、$Z_2$対称性または5次元ブレーン局在化により危険な結合を禁止することで、PNGBの品質問題を解決する。
• $g_{a\gamma}$結合は$C_{a\gamma} \lesssim 2.9 \times 10^{-3} \left(\frac{f_a}{2 \times 10^{10}~{\rm GeV}}\right)$まで抑制され、宇宙X線背景制約を満たす。
• これらのモデルは、ベクトル型レプトンを含むヤコビ係数を介して$g_{ae} \sim 2.5 \times 10^{-14}$を達成し、$f_a \sim 2 \times 10^{10}$ GeVとなる。