[논문 리뷰] Dark Baryogenesis

Devin G. E. Walker|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 09.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 어두운 칼라 게이지 군이 Z₂ 대칭으로 붕괴되면서, 전기약 상호작용의 바리온 비대칭 생성과 유사한 스팔레론 과정을 통해 바리온 비대칭과 어두운 물질을 동시에 생성하는 통합 모델을 제안한다. 바리온 대 어두운 물질 비율은 게이지 이상 자유도에서 유래하며, 양자역학적 보정을 통한 질량 생성이 잔여 밀도를 결정짓고, 전역 대칭이 전기약 상호작용 및 어두운 힉스 스케일을 안정화시킨다.

ABSTRACT

We first suggested a scenario in which a generic, dark chiral gauge group undergoes a first order phase transition in order to generate the observed baryon asymmetry in the universe, provide a viable dark matter candidate and explain the observed baryon-to-dark matter ratio of relic abundances [arXiv:1003.0899]. We now provide a model in which a copy of the electroweak gauge group is added to the Standard Model. We spontaneously break this new gauge group to the diagonal Z_2 center which is used to stabilize a dark matter candidate. In addition to the dark matter candidate, anomaly free messenger fermions are included which transform non-trivially under all the gauge groups. In analogy to electroweak baryogenesis, the model generates an excess of messenger These baryons subsequently decay to the Standard Model and dark matter to generate an excess of Standard Model baryons. The baryon-to-dark matter number density ratio is ultimately due to the requirement of gauge anomaly freedom. Dark sphalerons generate operators which violate B - L but preserves B + L. Thus, the asymmetry is not washed out by the Standard Model. The model radiatively generates a dark matter mass of order of the electroweak vacuum expectation value suppressed by a loop factor therefore setting the dark matter-to-baryon relic abundance. We outline some distinctive experimental signatures and ensure these models are consistent with existing constraints. As first discussed in [arXiv:0907.3142], these dark matter scenarios feature long-lived particles which can be observed at colliders. We finally show how approximate global symmetries in the higgs sector stabilize both the dark and electroweak scales thereby mitigating the hierarchy problem. Light dark higgses are needed to ensure the correct relic abundance. Thus, by construction the SM and dark higgses generate masses at two- and three-loops, respectively.

연구 동기 및 목표

• 게이지 동역학에 뿌리를 둔 통합 메커니즘을 통해 관측된 바리온 대 어두운 물질 비율을 설명하기.
• 자발적 대칭 붕괴에 의해 남는 Z₂ 대칭으로 안정화되는 실현 가능한 어두운 물질 후보를 제공하기.
• 바리온 비대칭을 어두운 스팔레론 과정을 통해 생성하여 B - L 위반은 허용하나 B + L 보존하는 메커니즘으로 표준모형에 의한 소거를 방지하기.
• 전기약 정밀도 제약과 충돌기 현상학, 특히 장수 어두운 물질 후보와의 일관성을 확보하기.
• 근사 전역 대칭을 도입하여 전기약 상호작용 및 어두운 힉스 세그먼트의 계층 문제를 완화시키기.

제안 방법

• 어두운 영역으로서 전기약 게이지 군(SU(2)×U(1))의 복제를 도입하고, 대각선 Z₂ 부분군으로 자발적 대칭 붕괴를 통해 어두운 물질 Fermion을 안정화시키기.
• 표준모형과 어두운 게이지 군 모두에 대해 변환되는 이상 자유 메신저 Fermion을 포함하여 스팔레론 전이를 통해 바리온 비대칭을 매개하기.
• 어두운 스팔레론을 이용해 메신저 Fermion 내에서 B - L 위반은 허용하나 B + L 보존하는 비대칭을 생성하고, 이 비대칭이 SM 바리온과 어두운 물질로 붕괴됨.
• 어두운 물질의 1-loop 차수에서의 양자역학적 질량 생성을 구현하여, 루프 인자로 억제되는 질량을 설정하고 어두운 물질 대 바리온 잔여 밀도 비율을 결정하기.
• 어두운 힉스 보손을 경량으로 도입하여 어두운 힉스 세그먼트의 안정성과 정확한 어두운 물질 잔여 밀도를 확보하기.
• SM Fermion 질량의 2-loop 메커니즘과 어두운 물질 질량의 3-loop 메커니즘을 구축하며, 전역 대칭에 의해 보호하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어두운 칼라 게이지 군이 제1계단 전이를 겪으면서 동시에 바리온 비대칭을 생성하고 안정된 어두운 물질 후보를 제공할 수 있는가?
• RQ2 통합 프레임워크에서 게이지 이상 자유도가 바리온 대 어두운 물질 비율을 어떻게 결정하는가?
• RQ3 다음과 같은 조건에서 어두운 스팔레론 과정이 B - L 비대칭을 생성할 수 있는가? 그러나 표준모형의 바리온 비대칭이 소거되지 않도록 보장하는가?
• RQ4 이 모델에서 장수 어두운 물질 입자의 충돌기 서명은 무엇이며, 현재 실험 제약 조건과 일치하는가?
• RQ5 힉스 세그먼트의 근사 전역 대칭이 전기약 상호작용 및 어두운 힉스 스케일을 얼마나 잘 안정화시키며, 계층 문제를 완화하는가?

주요 결과

• 모델은 B - L 위반은 허용하나 B + L 보존하는 어두운 스팔레론 전이를 통해 바리온 비대칭을 성공적으로 생성하며, 표준모형에 의한 소거가 방지됨을 보장한다.
• 관측된 바리온 대 어두운 물질 비율은 메신저 영역의 게이지 이상 자유도의 직접 결과이며, 잔여 밀도가 기본 게이지 양자수에 의해 연결됨을 보여준다.
• 어두운 물질는 루프 인자로 억제되는 양자역학적 보정을 통해 전기약 진공 기대값 수준의 질량을 획득하며, 자연스럽게 정확한 잔여 밀도를 설정한다.
• 모델은 장수 어두운 물질 입자를 예측하며, 이는 충돌기에서 관측 가능할 수 있는 특징적인 실험 서명을 제공한다.
• 전기약 및 어두운 힉스 세그먼트는 근사 전역 대칭에 의해 안정화되며, 이는 계층 스케일을 보호하고, 각각 2-loop 및 3-loop 질량 생성 메커니즘을 이끌어낸다.
• 정확한 어두운 물질 잔여 밀도를 확보하기 위해 경량 어두운 힉스 보손이 필요하며, 그 존재는 천체물리학적 및 충돌기 제약 조건과의 일관성을 보장한다.