[논문 리뷰] A Unified Hidden-Sector-Electroweak Model, Paraphotons and the X-Boson

M. J. Neves, J. A. Helayël-Neto|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 서로 다른 대칭성 깨짐 패tern을 통해 테바 스케일의 $Z^\prime$ 보손과 17 MeV의 $X$-보손을 실현하는 통합된 $SU_L(2)\times U_R(1)_J\times U(1)_K$ 게이지 모델을 제안한다. 이 모델은 어둠의 물질 후보, 파라-광자, 어둠의 광자를 하나의 프레임워크 안에서 통합하며, $Z^\prime$ 시나리오에서는 무거운 힉스($1.2{-}3.7$ TeV)를 예측하고, $X$-보손 시나리오에서는 가벼운 힉스($1.9{-}19$ GeV)를 예측한다. 페르미온 성분의 어둠의 물질 후보는 우현성 중성자와의 혼합을 통해 양자역학적 이상을 상쇄시킨다.

ABSTRACT

Our contribution sets out to investigate the phenomenology of a gauge model based on an $SU_{L}(2) imes U_{R}(1)_{J} imes U(1)_{K}$-symmetry group. The model can accommodate in its distinct phases - by virtue of different symmetry-breaking patterns - a candidate to a heavy $Z'$-boson at the TeV-scale and the recently discussed $17 \, \mbox{MeV}$ X-boson that may bring about a new physics at the $\mbox{MeV}$-scale. Furthermore, the para-photon of the dark matter sector and the candidate to the so-called dark photon can also be described in the scenario we are endeavoring to set up in this paper. In the $Z'$-scenario, the extended Higgs sector introduces a heavy scalar whose mass lies in the region $1.2-3.7 \, \mbox{TeV}$, while that the lower energy scale scenario presents a light scalar with mass in the interval $1.9-19 \, \mbox{GeV}$. The fermionic sector includes an exotic candidate to dark matter that mixes with the right-neutrino component in the Higgs sector, so that the whole field content yields the cancellation of the U(1)-anomaly. The masses are fixed according to the particular way the symmetry breaking takes place. In view of the possible symmetry breakdown patterns, we study the phenomenological implications in both scenarios of high- and low-energy scales. As examples, we consider the scattering of Standard Model matter into dark sector constituents intermediated by the $Z'$-boson in the $\mbox{TeV}$-scale, and the corresponding scattering intermediated by a lightest boson in the lower scale physics. Furthermore, we obtain the magnetic dipole momentum (MDM) of the exotic fermion and the transition MDM due to the mixing with the right-neutrino.

연구 동기 및 목표

• 단일 은밀한 섹터 프레임워크 내에서 테바 스케일의 $Z^\prime$ 보손과 17 MeV의 $X$-보손을 모두 포함하는 통합 게이지 모델을 구축하는 것.
• 통합된 $U(1)_K$ 확장 전자약력 모델에서 파라-광자와 어둠의 광자를 기원 상태로 설명하는 것.
• 기여하는 페르미온을 도입하여 오른쪽 수염 중성자와의 혼합을 통해 측도 이상을 상쇄시키는 것.
• $Z^\prime$와 $X$-보손이 표준모형 및 어둠의 섹터 입자들과 상호작용할 때의 현상학적 서명을 탐색하는 것.
• $\zeta_i$의 일중항자 자기모멘트(MDM)와 오른쪽 수염 중성자와의 혼합을 통한 전이 MDM을 계산하는 것.

제안 방법

• 두 번의 순차적 대칭성 깨짐(SSB) 패턴을 가진 $SU_L(2)\times U_R(1)_J\times U(1)_K$ 게이지 대칭성을 가정한다.
• 진공 기대값(VEV)을 통해 SSB를 구현한다: $Z^\prime$ 시나리오에서는 $\langle\Xi\rangle_0 \sim 2.8$ TeV이며, $X$-보손 시나리오에서는 $\langle\Phi\rangle_0 \sim 246$ GeV, $\langle\Xi\rangle_0 \sim 1.9{-}19$ GeV이다.
• 두 시나리오에서 각각 무거운 스칼라($1.2{-}3.7$ TeV)와 가벼운 스칼라($1.9{-}19$ GeV)를 포함하는 확장된 힉스 섹터를 도입한다.
• 어둠의 물질 후보로 기여하는 중성 페르미온($\zeta_i$)을 도입하며, 질량은 고에너지 스케일에서 $0.5{-}1$ TeV 또는 저에너지 스케일에서 $0.3{-}6.6$ GeV이며, 오른쪽 수염 중성자와의 혼합을 통해 측도 이상을 상쇄시킨다.
• 일중항자 수준에서 $\zeta_i$의 일중항자 자기모멘트(MDM)와 오른쪽 수염 중성자와의 혼합에 의해 유도되는 전이 MDM을 계산한다.
• $e^+e^- \to X \to \bar{\zeta}_1^\prime \zeta_1^\prime$ 및 $pp \to Z^\prime \to \text{SM} \to \text{어둠의 섹터}$의 산란 과정을 분석하고, QED 정점 보정을 통해 $X$-보손 결합을 제약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 서로 다른 대칭성 깨짐 패턴을 통해 단일 통합 게이지 모델이 테바 스케일의 $Z^\prime$ 보손과 17 MeV의 $X$-보손을 동시에 수용할 수 있는가?
• RQ2 $Z^\prime$와 $X$-보손 시나리오 간의 힉스 섹터 구조와 질량 스펙트럼은 어떻게 다를까?
• RQ3 $Z^\prime$를 매개로 한 표준모형과 어둠의 섹터 입자 간의 산란이 가지는 현상학적 함의는 무엇인가?
• RQ4 기여하는 페르미온과 오른쪽 수염 중성자 간의 혼합이 어둠의 물질 후보의 자기모멘트에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 $X$-보손 결합이 전자와 뮤온에 대한 축성분에 어떤 제약을 가하는가?

주요 결과

• $Z^\prime$-보손 질량은 약 2 TeV로 추정되며, ATLAS와 CMS 데이터와 일치하며, 이는 $u \approx 2.8$ TeV의 VEV 스케일에서 기인한다.
• $Z^\prime$ 시나리오에서의 무거운 힉스 스칼라 질량은 대칭성 깨짐 매개변수에 따라 $1.2{-}3.7$ TeV의 범위로 예측된다.
• $X$-보손 시나리오에서는 은밀한 힉스 질량이 $1.9{-}19$ GeV로 제약되며, 17 MeV의 $X$-보손 질량 스케일과 일치한다.
• $\zeta_1^\prime$ 페르미온의 질량이 0.5 TeV일 경우, 일중항자 수준에서 자기모멘트(MDM)는 $1.2 \times 10^{-21} \mu_B$로 추정된다.
• $X$-보손의 축성분은 전자와 뮤온에 대해 각각 $|\varepsilon_{e_L}| \lesssim 5.3 \times 10^{-5}$ 및 $|\varepsilon_{\mu_L}| \lesssim 8.7 \times 10^{-5}$로 제약된다.
• $X$-보손은 $M_{\zeta_1^\prime} = 1$ GeV일 때 $e^+e^- \to X \to \bar{\zeta}_1^\prime \zeta_1^\prime$ 과정을 통해 표준모형과 어둠의 섹터 간의 포털 역할을 할 수 있다.