[논문 리뷰] Bound-state dark matter with Majorana neutrinos

Mario Reig, Diego Restrepo외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 38인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 어두운 물질이 안정된 색상-팔승(8-중) 디рак 페르미온 $\tilde{\mathcal{Q}}$에서 유래되며, $\operatorname{U}(1)_D$ 대칭성에 의해 안정화되는 유 bound-state 어두운 물질 모형을 제안한다. 동시에 중성자는 색상-쌍대 스칼라 $\eta_a$의 교환을 통해 빔-형식으로 중성자 질량을 획득한다. 이 모형은 어두운 물질과 중성자 질량 생성을 통합적으로 다루며, 무이중베타 붕괴의 하한을 예측하고, 스칼라가 페르미온보다 무거운 경우 플랑크 스케일까지 양자역학적으로 안정되며 랑도 극을 피할 수 있다.

ABSTRACT

We propose a simple scenario in which dark matter (DM) emerges as a stable neutral hadronic thermal relics, its stability following from an exact $\operatorname{U}(1)_D$ symmetry. Neutrinos pick up radiatively induced Majorana masses from the exchange of colored DM constituents. There is a common origin for both dark matter and neutrino mass, with a lower bound for neutrinoless double beta decay. Direct DM searches at nuclear recoil experiments will test the proposal, which may also lead to other phenomenological signals at future hadron collider and lepton flavour violation experiments.

연구 동기 및 목표

• 어두운 물질과 중성자 질량이 빔-형식 메커니즘을 통해 동일한 기원에서 유래하는, 우주론적으로 타당하고 UV 완전한 프레임워크를 제안하는 것.
• 어두운 물질의 안정성을 $B-L$ 대신 $\operatorname{U}(1)_D$ 대칭성으로 보장함으로써 메이저라 중성자를 허용하는 것.
• 최소한 두 개의 비영이 아닌 중성자 질량을 생성함으로써 중성자 진동 데이터와의 일치를 확보하는 것.
• 직접 어두운 물질 탐지, 렙톤 형상 위반, 향후 강입자 충돌기에서의 현상학적 신호를 탐색하는 것.
• 스칼라 질량이 페르미온 질량을 초과할 경우 플랑크 스케일까지 양자역학적으로 안정되며 랑도 극이 발생하지 않는다는 것을 보여주는 것.

제안 방법

• 색상-팔승에서 변환되는 무거운 디рак 페르미온 $\mathcal{Q}$를 도입하여 $\operatorname{SU}(3)_c$와 $\operatorname{U}(1)_D$ 대칭성에 따라 안정성을 확보한다.
• 두 개의 색상-쌍대 $\operatorname{SU}(2)_L$ 이중체 스칼라 $\eta_a$를 도입하여 $\operatorname{U}(1)_D$ 대칭성에 대해 반대의 전하를 가지게 하여 중성자 질량 생성을 매개한다.
• 반복적인 피카르도 다이어그램을 통해 $\mathcal{Q}$와 $\eta_a$가 순환하면서 일계수에서 메이저라 중성자 질량을 생성한다.
• 일반적인 $\operatorname{U}(1)_D$ 대칭성과 CP 보존을 만족하는 힉스 포텐셜 $\mathcal{V}(H,\eta_a)$를 구성하여, 수준에서 중성자 질량을 금지한다.
• 일계수 효과적 중성자 질량 행렬 $\mathcal{M}_\nu \sim \frac{N_c M_{\mathcal{Q}}}{32\pi^2} (h_i y_j + h_j y_i)$를 사용하여 빔-형식으로 유도된 메이저라 질량을 계산한다.
• 스칼라 질량 $M_{\eta_a}$가 페르미온 질량 $M_{\mathcal{Q}}$를 초과할 경우, 점근적 자유도를 확보하고 랑도 극이 발생하지 않도록 보장한다. 이때 스칼라 팔승의 수는 $n_\eta = 2$이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어두운 물질 후보가 $B-L$ 대신 $\operatorname{U}(1)_D$ 대칭성에 의해 안정화될 수 있으며, 메이저라 중성자를 허용할 수 있는가?
• RQ2 색상이 있는 어두운 물질 구성요소를 가진 모형에서, 일계수로 빔-형식 메이저라 중성자 질량을 생성하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 어두운 물질 페르미온과 그 스칼라 보조 입자의 질량 척도에 대해 천체물리학적 및 충돌기 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 이 모형은 무이중베타 붕괴에서 효과적 메이저라 중성자 질량에 하한을 예측하는가?
• RQ5 이 모형의 색상 스칼라 및 페르미온 상태는 향후 강입자 충돌기 또는 렙톤 형상 위반 실험에서 특징적인 서명을 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 이 모형은 $\mathcal{Q}$와 $\eta_a$를 포함하는 일계수 다이어그램을 통해 빔-형식 메이저라 중성자 질량을 생성하며, 효과적 질량 행렬은 $\mathcal{M}_\nu \sim \frac{N_c M_{\mathcal{Q}}}{32\pi^2} (h_i y_j + h_j y_i)$이다.
• 이 모형은 정상 중성자 질량 순서에서 효과적 메이저라 중성자 질량에 하한 $\langle m_{\nu} \rangle \gtrsim 0.02$ eV를 예측한다. 이 값은 양자 결합 상수에 따라 달라진다.
• 직접 어두운 물질 탐지 실험에서 이 모형을 탐지할 수 있으며, $\mathcal{Q}\mathcal{Q}$ 유대 상태가 핵 반동을 유도하기 때문이다.
• 스칼라 질량 $M_{\eta_a}$가 페르미온 질량 $M_{\mathcal{Q}}$를 초과할 경우, 이 모형은 플랑크 스케일까지 UV 완전하며 랑도 극이 발생하지 않는다.
• 100 테바볼트 충돌기에서 $\mathcal{Q}\bar{\mathcal{Q}}$와 $\eta_1\bar{\eta}_1$의 쌍 생성 단면적은 유사하며, 추가적인 렙톤 또는 미량 에너지를 동반한 유사한 서명을 낳는다.
• charged 렙톤 형상 위반 과정은 $\mathcal{Q}$와 $\eta_a$를 통해 발생할 수 있으며, 스칼라 질량과 양자 결합 상수에 따라 검출 가능한 수준에 도달할 수 있다.