[논문 리뷰] A Radiative Linear Seesaw, Dark Matter and $U(1)_{B-L}$

Weijian Wang, Zhi-Long Han|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 U(1)_{B-L} 게이지 대칭 프레임워크 내에서 방사선 선형 시즈모델을 제안하며, 작은 렙톤 수 위반 항 μ_L 가 1-루프 수준에서 생성되어 자발적 B-L 대칭의 비틀림을 이끌어낸다. 잔류 Z₂ × Z₂′ 대칭은 두 개의 별개의 관성 페르미온 및 스칼라 성분을 안정화시켜 두 성분으로 구성된 어두운 물질 후보로 삼으며, 동시에 렙톤의 페어링 위반, 잔류 밀도, 직접 탐지 및 입자 충돌기 현상학을 일관되게 연구할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

In this paper we propose a radiated linear seesaw model where the naturally small term $\mu_{L}$ are generated at one-loop level and its soft-breaking of lepton number symmetry attributes to the spontaneous breaking(SSB) of B-L gauge symmetry. The value of $B-L$ charges for new particles are assigned to satisfy the anomalies cancelation. It is founded that some new particles may have exotic values of $B-L$ charge such that there exists residual $Z_{2} imes Z_{2}^{\prime}$ symmetry even after SSB of $B-L$ gauge symmetry. The $Z_{2} imes Z_{2}^{\prime}$ discrete symmetry stabilizes the these particles as dark matter candidates. In the model, two no-interplay classes of inert fermions and scalars are introduced, leading to two-component dark matter candidates. The lepton flavor violation processes, the relic density of dark matter, the direct detection of dark matter and the phenomenology on collider machine are investigated.

연구 동기 및 목표

• 1-루프 다이어그램을 통한 자연스러운 동역학을 통해 작은 μ_L 항을 생성하는 방사선 선형 시즈모델을 구축하는 것.
• 이상성 보존과 일치하는 렙톤 수 위반의 연속적인 소프트 붕괴를 통해 자발적 B-L 대칭의 비틀림을 달성하는 것.
• B-L 대칭 붕괴 이후 잔류 이산 대칭(Z₂ × Z₂′)을 식별하여 관성 페르미온과 스칼라를 어두운 물질 후보로 안정화하는 것.
• 이 모델에서 렙톤의 페어링 위반, 어두운 물질 잔류 밀도, 직접 탐지 및 입자 충돌기 신호의 현상학을 조사하는 것.
• 새로운 입자들에 적절한 B-L 전하를 할당하여 이상성 보존을 확보하고, 잔류 대칭을 유지하는 데 기여하는 비표준 값들을 포함하는 것.

제안 방법

• 새로운 무거운 페르미온과 스칼라를 포함한 루프 다이어그램을 통해 1-루프 수준에서 작은 μ_L 항이 생성되는 방사선 선형 시즈모델을 도입한다.
• 렙톤 수 위반의 소프트 붕괴를 통해 자발적 B-L 대칭 붕괴를 유도하는 U(1)_{B-L} 게이지 대칭을 구현한다.
• 이상성 보존과 잔류 Z₂ × Z₂′ 이산 대칭을 유지하기 위해 새로운 입자들에 B-L 전하를 할당하며, 비표준 값도 포함한다.
• 잔류 Z₂ × Z₂′ 대칭을 활용하여 두 개의 별개의 관성 섹터를 안정화시킨다: 하나는 페르미온이고 다른 하나는 스칼라이며, 모두 어두운 물질에 기여한다.
• 게이지 불변성과 이상성 보존을 보장하는 바탕으로 운동에너지, 게이지, 요카다, 스칼라 포텐셜 항을 포함한 전체 라그랑지안을 구성한다.
• 렙톤의 페어링 위반 과정, 열적 동결-아웃을 통한 어두운 물질 잔류 밀도, 직접 탐지 단면적, 입자 충돌기 신호에 대한 분석적 및 수치적 연구를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 U(1)_{B-L} 게이지 모형 내에서 선형 시즈의 작은 μ_L 항은 어떻게 1-루프 수준에서 자연스럽게 생성될 수 있는가?
• RQ2 자발적 B-L 대칭 붕괴 이후 나타나는 잔류 이산 대칭은 무엇이며, 어떻게 어두운 물질을 안정화하는가?
• RQ3 이 모델에서 렙톤의 페어링 위반 과정은 어떤 영향을 미치며, 현재 실험 한계 내에 있는가?
• RQ4 두 성분 어두운 물질의 예측된 잔류 밀도는 무엇이며, 관측된 천체물리적 값과 일치하는가?
• RQ5 관성 페르미온 및 스칼라 어두운 물질 성분의 직접 탐지 및 입자 충돌기 신호는 어떤 전망을 갖는가?

주요 결과

• μ_L 항은 방사선 시즈모델을 통해 1-루프 수준에서 생성되어 그 작음을 자연스럽게 설명한다.
• 렙톤 수 위반의 소프트 붕괴를 통해 자발적 B-L 대칭 붕괴가 발생하며, 잔류 Z₂ × Z₂′ 대칭이 관성 페르미온과 스칼라를 모두 어두운 물질 후보로 안정화시킨다.
• 이 모델은 두 개의 별개의 어두운 물질 성분—하나는 페르미온이고 다른 하나는 스칼라—을 포함하며, 모두 잔류 이산 대칭에 의해 안정화된다.
• 렙톤의 페어링 위반 과정은 1-루프 수준에서 유도되며, 모델의 매개변수에 따라 현재 실험 한계에 의해 제약을 받는다.
• 두 성분 어두운 물질 시나리오는 열적 동결-아웃을 통해 관측된 어두운 물질의 잔류 밀도를 재현할 수 있으며, 천체물리학적 제약 조건을 만족하는 매개변수 영역이 존재한다.
• 두 어두운 물질 성분의 직접 탐지 단면적은 현재 실험 감도 이하로 예측되며, 관성 스칼라와 페르미온의 입자 충돌기 신호는 고에너지 충돌기에서 여전히 접근 가능하다.