[논문 리뷰] Dark charge vs electric charge

Duong Van Loi, Cao H. Nam외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 51인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 전기적이고 어둠의 전하를 통합하는 새로운 $SU(3)_C\otimes SU(2)_L\otimes U(1)_Y\otimes U(1)_N$ 게이지 대칭을 제안하며, 어둠의 전하는 비자명하게 스위프트 이so스핀과 연결되어 있다. 이 모형은 새로운 동역학을 통해 중성미온 질량과 어둠의 물질을 자연스럽게 생성하며, $U(1)_Y$와 $U(1)_N$ 게이지 보손 간의 운동 에너지 혼합을 고려하면서, Fermion, 스칼라 및 게이지 섹터를 대각화한 후 충돌기 신호와 어둠의 물질 관측 결과를 분석한다.

ABSTRACT

We reconsider the question of electric charge quantization, which leads to the existence of a dark charge nontrivially unified with weak isospin in a novel gauge symmetry, $SU(3)_C\otimes SU(2)_L\otimes U(1)_Y\otimes U(1)_N$, where $Y$ and $N$ determine the electric and dark charges, respectively. The new model provides neutrino masses and dark matter appropriately, a direct consequence of the dark dynamics. We diagonalize the fermion, scalar, and gauge sectors as well as obtain relevant interactions, taking into account the kinetic mixing of $U(1)_{Y,N}$ gauge bosons. The new physics signals at colliders are examined. The dark matter observables are discussed.

연구 동기 및 목표

• 전기 전하의 양자화 문제를 새로운 어둠의 전하를 포함하는 게이지 대칭을 도입하여 해결하고자 한다.
• 표준모형 확장 내에서 새로운 $U(1)_N$ 게이지 군을 통해 어둠의 전하를 스위프트 이so스핀과 통합하고자 한다.
• 새로운 어둠의 동역학의 직접적 결과로서 중성미온 질량과 어둠의 물질을 생성하고자 한다.
• 충돌기 신호와 어둠의 물질 관측 결과를 포함한 모형의 현상학을 분석하고자 한다.
• 운동 에너지 혼합을 고려하면서도 Fermion, 스칼라 및 게이지 섹터를 대각화하고자 한다.

제안 방법

• 전하 및 어둠의 전하 생성자인 $Y$와 $N$을 포함한 새로운 게이지 군 $SU(3)_C\otimes SU(2)_L\otimes U(1)_Y\otimes U(1)_N$을 가정한다.
• 이상성 제거 및 적절한 양자수를 확보하면서, Fermion, 스칼라 및 게이지 섹터를 포함한 라그랑지안을 구성한다.
• $U(1)_Y$와 $U(1)_N$의 운동 에너지 혼합 항을 질량 고유상태로 회전하여 게이지 섹터를 대각화한다.
• $U(1)_Y$와 $U(1)_N$ 게이지 보손의 혼합 각도와 질량 고유상태를 계산하여 물리적 결합 상수를 결정한다.
• 새로운 게이지 보손이 Fermion 및 스칼라와의 상호작용, 특히 어둠의 물질 결합을 유도한다.
• 결과적으로 충돌기 신호와 어둠의 물질 현상학을 분석하며, 잔류 밀도 및 직접 탐지 제약 조건을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 새로운 어둠의 전하를 포함하는 통합 게이지 대칭에서 전기 전하의 양자화는 어떻게 유도될 수 있는가?
• RQ2 표준모형의 $U(1)_N$ 확장에서 어둠의 전하가 스위프트 이소스핀과 비자명하게 통합될 경우의 의미는 무엇인가?
• RQ3 새로운 게이지 보손과 그들의 운동 에너지 혼합은 충돌기 현상학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이 모형은 중성미온 질량과 안정된 어둠의 물질 후보를 자연스럽게 생성할 수 있는가?
• RQ5 어둠의 물질 직접 탐지 및 천체관측에서 새로운 물리의 관측 가능 서명은 무엇인가?

주요 결과

• 모형은 $U(1)_Y\otimes U(1)_N$ 게이지 대칭을 통해 전기 전하의 양자화를 실현하며, 어둠의 전하는 비자명하게 스위프트 이소스핀과 통합된다.
• 중성미온 질량은 시이즈 메커니즘을 요구하지 않고 새로운 동역학의 결과로서 자연스럽게 유도된다.
• 어둠의 물질은 $U(1)_N$ 게이지 군과 관련된 $Z_2$ 대칭에 의해 안정화되어, 약하게 상호작용하는 거대한 입자로 이어진다.
• $U(1)_Y$와 $U(1)_N$ 게이지 보손 간의 운동 에너지 혼합은 충돌기에서 관측 가능한 신호를 유도하며, 비가시 힉스 붕괴 및 모노제트 서명을 포함한다.
• 어둠의 물질 잔류 밀도는 어둠의 물질 질량과 결합 상수가 특정 범위 내에 있을 경우 관측 결과와 일치하는 예측을 한다.
• 스칼라 섹터는 표준모형 힉스와 혼합하는 새로운 힉스 유사 상태를 포함하며, 힉스 결합 상수와 붕괴 분지비에 영향을 준다.