[논문 리뷰] A Brief Review on WIMPs in 331 Electroweak Gauge Models

P. S. Rodrigues da Silva|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 30.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 4인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 $SU(3)_c \otimes SU(3)_L \otimes U(1)_X$ 게이지 군을 바탕으로 한 331 전기약력 모형에서 약상호작용하는 거대한 입자(WIMPs)가 냉각 암흑물질 후보로 될 수 있는지를 검토한다. 두 변종인 331RH$\nu$와 331LHN을 중심으로, WIMPs를 안정화시키는 대칭성을 분석하며, 주요 결과로 331LHN 모형에서 테바 스케일의 스칼라 WIMP가 잔류 밀도와 직접 탐지 결과와 일치하는 반면, $Z'$ 보손 제약 조건은 대칭성 깨짐 스케일을 $v_{\chi'} \gtrsim 10$ 테바에 이르게 한다.

ABSTRACT

In this work we review the cold dark matter problem in the context of a class of models which are a simple extension of the electroweak standard model, where the gauge symmetry is dictated by the group structure, $SU(3)_c\otimes SU(3)_L\otimes U(1)_X$. This model, in different versions, has been able to address many interesting facts not explained by the standard model. It would be just desirable that the dark matter issue could be contemplated as well, since the problem of the missing matter has become one of the greatest indications of incompleteness of currently established theories describing the known interactions and the cosmological evolution and content of the observed Universe. We do that by pointing out some of the successful steps in this direction and remarking some sources of difficulties concerning their phenomenological and theoretical implementation.

연구 동기 및 목표

• 확장된 게이지 대칭성을 가진 331 모형이 자연스럽게 안정된 WIMP 암흑물질 후보를 수용할 수 있는지 평가하기.
• 고차원 연산자를 통한 붕괴를 방지하는 글로벌 대칭과 이산 대칭의 역할을 조사하기.
• 우주론적, 강입자 실험, 직접 탐지 제약 조건에 비추어 331RH$\nu$와 331LHN 모형에서의 WIMP의 현상학적 타당성을 평가하기.
• 두 모형 변종 간의 잔류 밀도, 직접 탐지 단면적, $Z'$ 보손 질량 제약 조건을 비교하기.

제안 방법

• 331RH$\nu$와 331LHN 모형에서의 $SU(3)_c \otimes SU(3)_L \otimes U(1)_X$ 게이지 구조와 페르미온 구성 분석.
• 자발적 대칭성 깨짐과 중력 효과 하에서 스칼라 및 페르미온성 WIMP의 안정성 평가.
• 효과적 장 이론 기법을 적용하여 차원-5 및 차원-6 연산자를 통한 WIMP 붕괴율 계산.
• 잔류 밀도 계산과 직접 탐지 단면적 추정을 통해 Planck 및 LUX 데이터와의 일치성 테스트.
• 전자약력 정밀도 데이터와 비가시 붕괴 모드로부터 유도된 $Z'$ 보손 질량 제약 조건 적용.
• 331LHN에서 가벼운 중성 페르미온을 안정화시키기 위해 R-대칭과 유사한 이산 대칭인 W-대칭을 도입.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 331RH$\nu$ 모형에서 렙톤 수 대칭에 의해 보호되는 안정된 WIMP 후보를 제공할 수 있으며, 중력 보정의 영향은 무엇인가?
• RQ2 331LHN 모형은 새로운 왼쪽 페어링 중성 페르미온을 통해 어떻게 타당한 WIMP 후보를 생성하는가? 그리고 어떤 대칭이 그 안정성을 보장하는가?
• RQ3 두 331 모형에서 WIMP 질량과 $Z'$ 보손 질량에 대한 우주론적 및 현상학적 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 직접 탐지 단면적과 잔류 밀도 계산은 스칼라 및 페르미온성 WIMP의 매개변수 공간을 어떻게 제약하는가?
• RQ5 331LHN 모형은 갈락틱 중심 감마선 과잉을 설명할 수 있으며, LHC 힉스 데이터와 $Z'$ 제약 조건을 만족하는가?

주요 결과

• 331RH$\nu$ 모형에서 스칼라 WIMP는 중력 효과로 인해 수명이 $\tau \approx 10^{43}$ 초로 매우 길어, 자발적 대칭성 깨짐에도 불구하고 실질적으로 안정하다.
• 331RH$\nu$ 모형에서 질량이 약 1 테바인 스칼라 WIMP는 잔류 밀도와 직접 탐지 제약 조건과 모두 일치한다.
• 331LHN 모형에서 글로벌 $U(1)_G$ 대칭은 렙톤 수 위반 효과 연산자로 인해 WIMP를 안정화시키지 못하므로, 새로운 이산 W-대칭 대칭이 필요하다.
• W-대칭을 가진 331LHN 모형은 $m_\phi \gtrsim 500$ 기로프, $v_{\chi'} \gtrsim 10$ 테바인 스칼라 WIMP를 허용하며, $Z'$ 질량 제약 조건과 LUX 직접 탐지 한계와 일치한다.
• 331LHN에서 가장 가벼운 무거운 중성 페르미온 $N_1$는 질량이 약 1 테바인 경우 잔류 밀도와 직접 탐지 결과와 일치하는 타당한 WIMP가 될 수 있으며, $M_N \lesssim 1$ 테바인 경우 $M_{Z'} \gtrsim 2$ 테바가 된다.
• 모형은 $25 \lesssim m_\phi \lesssim 40$ 기로프 범위에서 갈락틱 중심 감마선 과잉을 설명할 수 있지만, 이는 LHC 힉스 데이터에 의해 배제된다. $m_\phi \lesssim 60$ 기로프일 경우 힉스의 90% 이상가량이 두 WIMP로 붕괴될 것으로 예측하기 때문이다.