[논문 리뷰] Candidates for dark matter in the ${SU}(3)_C {SU}(3)_L {U}(1)_N$ models

H. N. Long, N. Q. Lan외 2명|ArXiv.org|2006. 11. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 SU(3)C×SU(3)L×U(1)N (3-3-1) 모델에서 스칼라 및 페르미온성 어두운 물질 후보를 규명한다. 여기서 가장 가벼운 힉스 보손—특히 CP-대칭 스칼라와 CP-반대 페시스칼라—는 표준모형의 게이지 군에 대해 단일 표현형을 이루므로 자기상호작용 어두운 물질(SIDM)으로 기능한다. 이 모델은 추가 대칭을 요구하지 않고도 이러한 상태를 자연스럽게 안정화시킨다. Spergel-Steinhardt 조건에 따르면 스칼라 후보의 질량 범위는 4.7–23 MeV이며, 이는 511 keV INTEGRAL 선과 일치한다.

ABSTRACT

It has recently been pointed out that the 511 keV emission line detected by INTEGRAL/SPI from the bulge of our galaxy could be explained by annihilations of light dark matter particles into $e^+ e^-$. We present the possibility that dark matter could be made of scalar candidates, namely, of the Higgs bosons in the models based on ${SU}(3)_C\otimes {SU}(3)_L \otimes {U}(1)_N$ (3-3-1) gauge group. These particles are singlet of the ${SU}(2)_L \otimes {U}(1)_Y$ group, so they do not interact with the ordinary particles, exept the Higgs boson in the standard model. The Spergel-Steinhardt condition for self-interacting dark matter gives a bound on the mass of the candidates to be a few MeVs. Besides the scalar candidates, which exist in both non-SUSY and SUSY 3-3-1 models with right-handed neutrinos, the spin $\fr 1 2$ candidate exists in a variant 3-3-1 version with exotic neutral lepton. In contrast to the singlet models, where an extra symmetry must be imposed to account the stability of the dark matter, here the decay of the candidates is automatically forbidden in all orders of perturbative expansion. This is because of the following feature: these scalars are singlets, i.e., in bottom of the Higgs triplet. Therefore, the standard model fermions and the standard gauge bosons cannot couple with them.

연구 동기 및 목표

• 3-3-1 모델에서 자기상호작용 어두운 물질(SIDM) 기준을 만족하는 실현 가능한 어두운 물질 후보를 규명하는 것.
• 우주 중심부에서 관측된 511 keV 감마선 선을 오른쪽 수반 뉴트리노가 있는 3-3-1 모델에서 경량 어두운 물질의 붕괴가 e⁺e⁻로 이뤄지는 과정으로 설명하는 것.
• 어두운 물질의 안정성이 추가적인 인위적 글로벌 대칭이 아닌 게이지 양자수에 의해 자연스럽게 유도됨을 보여주는 것.
• 오른쪽 수반 뉴트리노 또는 이국적 중성 뉴트리노를 포함한 3-3-1 모델의 변형에서 스칼라 및 페르미온성 어두운 물질 후보를 탐색하는 것.

제안 방법

• SU(3)C×SU(3)L×U(1)N 게이지 대칭을 갖는 3-3-1 모델을 구성하며, SU(3)L 군에 대해 변환되는 힉스 삼중항을 포함한다.
• 표준모형의 SU(2)L×U(1)Y에 대해 단일 표현형인 스칼라 및 페시스칼라 힉스 상태를 식별하여 표준모형 입자와의 최소 결합을 확보한다.
• 자기상호작용 어두운 물질(SIDM)을 위한 Spergel-Steinhardt 조건을 사용하여 가장 가벼운 힉스 상태의 질량를 제약한다.
• 삼중항 및 사중항 결합을 포함한 힉스 포텐셜을 통해 스칼라 및 페시스칼라 질량 스펙트럼을 계산하며, 경량 어두운 물질 후보를 생성하도록 매개변수를 조정한다.
• 가장 가벼운 중성 힉스 보손이 단일 표현형이므로 모든 섭동 순서에서 붕괴가 금지되며, 이로 인해 안정성이 보장됨을 적용한다.
• 이론의 이분기, 점근 자유성, 그리고 약 4 TeV에서 자연스러운 초대칭의 존재를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3-3-1 모델에서 오른쪽 수반 뉴트리노를 포함할 경우, 은하 중심부에서 관측된 511 keV 감마선 선이 경량 어두운 물질의 e⁺e⁻로의 붕괴에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 오른쪽 수반 뉴트리노가 있는 3-3-1 모델에서 스칼라 힉스 보손이 추가 대칭 없이도 자기상호작용 어두운 물질 후보로 적합한가?
• RQ3 이 모델에서 Spergel-Steinhardt 조건을 만족하는 가장 가벼운 힉스 상태의 질량 범위는 무엇인가?
• RQ4 이국적 중성 뉴트리노를 포함한 3-3-1 모델의 변형에서 페르미온성 어두운 물질 후보의 존재성과 성질은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 어두운 물질 후보의 자연스러운 안정성이 인위적 글로벌 대칭이 아닌 게이지 양자수에 기인하는가?

주요 결과

• 오른쪽 수반 뉴트리노가 있는 3-3-1 모델에서 가장 가벼운 중성 스칼라 힉스 보손의 질량는 4.7–23 MeV 범위에 있으며, 이는 Spergel-Steinhardt 조건을 만족하는 자기상호작용 어두운 물질로 적합하다.
• 가장 가벼운 페시스칼라 힉스 상태는 거의 질량이 없으며(M₄ ≈ 5 GeV, M₅ = M₆ = 0) 이는 자발적 대칭 깨짐으로 인해 두 개의 골드스토니 보손이 존재함을 시사한다.
• 스칼라 어두운 물질 후보는 표준모형의 SU(2)L×U(1)Y 군에 대해 단일 표현형이므로 자연스럽게 안정하다. 이로 인해 표준모형 게이지 보손 및 페르미온과의 결합이 금지된다.
• 이 모델은 약 5 GeV의 가벼운 페시스칼라 힉스 보손을 예측하며, 이는 루프 유도 과정을 통해 e⁺e⁻로 붕괴할 경우 511 keV 선에 기여할 수 있다.
• 이국적 중성 뉴트리노를 포함한 3-3-1 모델의 변형에서는 스칼라 후보 외에 스핀-1/2 어두운 물질 후보가 존재한다.
• 이론은 sin²θW = 1/4에서 랑도 극이 발생함에 따라 약 4 TeV에서 자연스러운 초대칭을 실현한다. 이는 섭동 통합과 일치한다.