[論文レビュー] $Z^\prime$ portal dark matter in the minimal $B-L$ model

Satomi Okada|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 82被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、最小 $B-L$ モデルにおける $Z^{\prime}$ ポータル・ダークマターのシナリオを提案する。ここで、$Z_{B-L}^{\prime}$ ゲージボソンが標準模型（SM）と $Z_2$ 奇性を持つ右巻きニュートリノ（Majorana ダークマター候補）の間の相互作用を媒介する。宇宙論的制約（残存密度）とLHCラン2のコライダー制約を組み合わせることで、$Z_{B-L}^{\prime}$ ボソン質量に対して下限 $m_{Z^{\prime}} \geq 3.9$ TeV を導出し、妥当なパラメータ空間を狭めた。

ABSTRACT

In this review article, we consider a dark matter scenario in the context of the minimal extension of the Standard Model (SM) with a $B-L$ (baryon number minus lepton number) gauge symmetry, where three right-handed neutrinos with a $B-L$ charge $-1$ and a $B-L$ Higgs field with a $B-L$ charge $+2$ are introduced to make the model anomaly-free and to break the $B-L$ gauge symmetry, respectively. The $B-L$ gauge symmetry breaking generates the Majorana masses for the right-handed neutrinos. We introduce a Z$_2$ symmetry to the model and assign an odd parity only for one right-handed neutrino, and hence the Z$_2$-odd right-handed neutrino is stable and the unique dark matter candidate in the model. The so-called minimal seesaw works with the other two right-handed neutrinos and reproduces the current neutrino oscillation data. We consider the case that the dark matter particle communicates with the SM particles through the $B-L$ gauge boson ($Z^{\prime}_{B-L}$ boson), and obtain a lower bound on the $B-L$ gauge coupling ($α_{B-L}$) as a function of the $Z^{\prime}_{B-L}$ boson mass ($m_{Z^{\prime}}$) from the observed dark matter relic density. On the other hand, we interpret the recent LHC Run-2 results on the search for a $Z^{\prime}$ boson resonance to an upper bound on $α_{B-L}$ as a function of $m_{Z^{\prime}}$. These two constraints are complementary to narrow down an allowed parameter region for this "$Z^{\prime}$ portal" dark matter scenario, leading to a lower mass bound of $m_{Z^{\prime}} \geq 3.9$ TeV.

研究の動機と目的

• 最小 $B-L$ モデルに $Z_2$ 対称性を導入し、右巻きニュートリノ1つを安定化させ、Majorana ダークマター候補とする。
• $Z_{B-L}^{\prime}$ ポータル機構を調査し、ダークマターが $B-L$ ゲージボソンを介してSM粒子と相互作用することを検討する。
• 宇宙論的残存密度とLHCラン2の $Z^{\prime}$ 共鳴探索データを用いて、モデルのパラメータを制約する。
• 宇宙論的制約とコライダー制約の両方が満たされるパラメータ空間を特定する。

提案手法

• 右巻きニュートリノ1つにのみ奇性を割り当てる $Z_2$ 対称性を導入し、安定性を保証するとともに、ダークマター候補とする。
• 2つの $Z_2$ 偶性を持つ右巻きニュートリノを用いて最小シースォー・メカニズムを実装し、ニュートリノ振動データを再現する。
• $B-L$ ヒッグス場による $B-L$ ゲージ対称性の破れを用いて、右巻きニュートリノのメジャナ型質量と $Z_{B-L}^{\prime}$ ボソン質量を生成する。
• $Z_{B-L}^{\prime}$ ポータル相互作用のラグランジアンを導出し、$Z_{B-L}^{\prime}$ 交換を通じたダークマター散乱および対消滅を可能にする。
• $\alpha_{B-L}$ と $m_{Z^{\prime}}$ の関数としてダークマターの残存密度を計算し、ゲージ結合定数の下限を導出する。
• ATLAS ラン2 $Z^{\prime}$ 共鳴探索結果を解釈し、$m_{Z^{\prime}}$ の関数として $\alpha_{B-L}$ の上限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙論的およびコライダー制約を考慮した場合、最小 $B-L$ モデルにおける $Z_{B-L}^{\prime}$ ポータル・ダークマターの許容可能なパラメータ空間は何か？
• RQ2 このモデルにおいて $Z_{B-L}^{\prime}$ ゲージボソンは、ダークマターとSM粒子の間の相互作用をどのように媒介するか？
• RQ3 残存密度とLHCラン2データを組み合わせた際、$Z_{B-L}^{\prime}$ ボソン質量にどのような下限が得られるか？
• RQ4 なぜこのモデルではダークマター候補の直接検出が抑制されるのか？
• RQ5 このモデルは、ニュートリノ質量、ダークマター、そしてLHCでテスト可能であることを同時に満たせるか？

主な発見

• 宇宙論的残存密度制約により、$m_{Z^{\prime}}$ の関数として $B-L$ ゲージ結合定数 $\alpha_{B-L}$ の下限が得られ、$Z_{B-L}^{\prime}$ ボソンが重いほど $\alpha_{B-L}$ が大きくなる必要がある。
• LHCラン2のATLAS探索結果により、$m_{Z^{\prime}}$ の関数として $\alpha_{B-L}$ の上限が課され、これは宇宙論的制約と補完的である。
• 残存密度とLHCデータの組み合わせによる制約により、$m_{Z^{\prime}} \geq 3.9$ TeV 以下のパラメータ空間はすべて除外される。
• 右巻きニュートリノダークマター候補は、非相対論的極限において弾性散乱断面積がゼロとなるため、直接検出を回避する。これは、$Z_{B-L}^{\prime}$ との軸性ベクトル結合に起因する。
• ダークマター対消滅による間接検出は、マジョラナ性に起因する速度抑制のため、無視できるほど小さい。
• モデルは $m_{Z^{\prime}} \geq 3.9$ TeV の範囲で妥当であり、$\sim 120~\text{fb}^{-1}$ の積分光度でLHCで $Z_{B-L}^{\prime}$ シグナルが検出可能と予想される。