[論文レビュー] $U(1)_χ$, Seesaw Dark Matter, and Higgs Decay

Ernest Ma|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、標準模型の $U(1)_\chi$ 角運動量拡張において、光る見せかけのダークマターを提案する。ここでダークマターフェルミオン ($D_\chi$) は、抑制されたヤコビーコーティングを介してヒッグス粒子のレア崩壊によって生成される。このモデルは、観測と整合するリlict豊度を持つ、弱く相互作用する巨大粒子（FIMP）ダークマターのフリーズイン生成を実現するが、重い $Z_\chi$ ゲージボソンのおかげで、直接的および間接的探索では検出不能のままである。

ABSTRACT

It has recently been pointed out that the underlying symmetry of dark matter may well be $U(1)_χ$ (coming from $SO(10) o SU(5) imes U(1)_χ$) with the dark parity of any given particle determined by $(-1)^{Q_χ+2j}$, where $Q_χ$ is its $U(1)_χ$ charge and $j$ its spin angular momentum. Armed with this new insight, previous simple models of dark matter are reinterpreted, and a novel idea is proposed that light seesaw dark matter exists in analogy to light neutrinos and is produced by the rare decay of the standard-model Higgs boson.

研究の動機と目的

• SO(10)\to SU(5)\times U(1)_\chi$ から導かれる $U(1)_\chi$ 対称性フレームワーク内での、既存のダークマター模型の再解釈。
• 軽いニュートリノ質量生成に類似した、軽い見せかけのダークマターのための新しいメカニズムの提案。
• ヒッグス崩壊を通じて、抑制されたヤコビーコーティングを介してダークマターが生成可能であることを示し、フリーズイン生成を可能にする。
• 重い $Z_\chi$ ゲージボソンのおかげで、このようなダークマターが直接的および間接的探索で検出不能であることを示す。

提案手法

• ダークマターの安定化のため、$Q_\chi$ に依存するダークパリティ $(-1)^{Q_\chi + 2j}$ を持つ $U(1)_\chi$ ゲージ対称性を導入。
• $SO(10)$ の $\mathbf{126}$ 表現を用いて、$U(1)_\chi$ をテヴスケールで破壊し、重い右巻きニュートリノ $\nu^c$ を生成。
• $SU(5)\times U(1)_\chi$ において $D_\chi \sim (1,-10)$ とみなされるダークマターフェルミオン $D_\chi$ を導入し、$\nu^c$ と $\zeta$ スカラーとの結合を通じて小さな見せかけの質量を生成。
• $\zeta^*ss$ の三重線形結合を実装し、複素スカラーを二つの実スカラーに分割。そのうちの軽い方がダークマターとなる。
• $H$ と $\zeta_R$ を含むスカラー質量行列における混合から、ヒッグスからダークマターへの結合 $f_H$ を導出し、$\Gamma_H \propto f_H^2$ を得る。
• 再熱温度が $m_H$ より低く、$m_{D_\chi}$ より高い条件下で、$H \to D_\chi D_\chi$ 崩壊を通じた $D_\chi$ のフリーズイン生成を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $U(1)_\chi$ 対称性は、$(-1)^{Q_\chi + 2j}$ を通じて、ダークマターの自然な安定化機構を提供できるか？
• RQ2 ニュートリノの見せかけのメカニズムに類似したヒッグス崩壊過程を通じて、軽い見せかけのダークマターを生成することは可能か？
• RQ3 フリーズインによる正しいリlict豊度を達成するためのヤコビーコーティング $f_H$ に課される物性的制約は何か？
• RQ4 $Z_\chi$ ゲージボソンの質量が、$D_\chi$ の直接的および間接的検出可能性に与える影響は何か？
• RQ5 $U(1)_\chi$ フレームワークは、標準模型と統合可能であり、ニュートリノおよびダークマターの両方の見せかけのメカニズムを維持できるか？

主な発見

• 質量 ~5 GeV の軽いフェルミオン的ダークマター候補 $D_\chi$ が、抑制されたヤコビーコーティング $f_H \sim 5 \times 10^{-12}$ を介してヒッグス崩壊によって生成され、フリーズイン生成と整合的である。
• $Z_\chi$ ゲージボソンの質量は $m_{Z_\chi} \sim 10^7$ GeV と予測され、LHC では検出不能であり、核との弾性散乱を抑制する。
• $D_\chi$ のリlict豊度は、ヒッグス崩壊からのフリーズインによって達成され、$x = m_{D_\chi}/m_H \ll 1$ の場合に $f_H \sim 10^{-12} x^{-1/2}$ となる。これは宇宙論的制約を満たす。
• $D_\chi$ の見せかけのメカニズムは、ニュートリノのそれと類似している：大きなメジャナ型質量を持つ重い $N$ 状態が $\zeta$ と結合することで、$D_\chi$ に小さな質量が生成され、$m_{D_\chi} \sim \text{GeV}$ および $m_N \sim 10^{14}$ GeV となる。
• $U(1)_\chi$ の破れスケール $u \sim 10^7$ GeV は、中間的見せかけスケールと整合的であり、$D_\chi$ は $T \sim 5.2$ TeV 未満で熱的バスタブから分離する。
• 新しい粒子を中間スケールに追加することで、統合スケールを $10^{16}$ GeV 以上に押し上げることで、陽子崩壊の制約を回避できる。$SU(5)\times U(1)_\chi$ の統合は、中間スケールでの新粒子の追加により実現可能である。