[논문 리뷰] Effective Operators for Dark Matter Interactions

Mateusz Duch|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 8인용 수 3

한 줄 요약

이 학위논문은 표준모형(우측수성 중성자 포함)과 게이지 싱เก트론 스칼라, 좌우 쿠르티컬 페르미온, 그리고 벡터 보손으로 구성된 어둠성 물질 영역 간의 상호작용을 매개하는 차원 6 이하의 효과적 연산자를 체계적으로 분류한다. 어둠성 물질 필드에 대한 안정성 대칭을 가정할 때, 어떤 연산자가 국소적으로 재정의 가능한지, 어떤 것이 나무 수준에서 생성 가능한지, 어떤 것이 고리 보정이 필요한지를 규명하며, 표준모형을 초월한 어둠성 물질 현상학에 대한 종합적인 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

The aim of this thesis is to determine possible interactions between the Standard Model with right-chiral neutrinos and a sector of dark matter composed of a real scalar, left- and right-chiral fermion and a vector particle, which are singlets of the Standard Model gauge group. In the introductory chapters we review the evidence for dark matter and methods of its detection. In the main part, we present the complete list of gauge singlet operators of dimension not greater than 4, that consist of the standard sector fields. We obtain also an analogous list for the dark matter particles. Using both of them, we find the possible interactions between the two sectors, firstly for the renormalizable theories, then within the effective theory framework with operators up to dimension 6, imposing the stability symmetry condition on each dark matter field. We consider the problem of generation for the effective operators in underlying, renormalizable gauge theory that includes the Standard Model. It is shown, which of the operators can be generated in tree-level approximation and which require a loop.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 필드와 어둠성 물질 필드를 포함한 모든 게이지 싱เก트론 연산자 중 차원 ≤6인 것을 체계적으로 분류하는 것.
• 표준모형(우측수성 중성자 포함)과 스칼라, 페르미온, 벡터 어둠성 물질 후보로 구성된 어둠성 영역 간의 타당한 상호작용을 식별하는 것.
• 효과적 연산자가 어떤 것이 UV 완전하고 재정의 가능한 이론에서 나무 수준에서 생성 가능한지, 고리로 유도되는지 구분하여 결정하는 것.
• 어둠성 물질 필드에 안정성 대칭을 도입하고, 그 영향이 허용 가능한 상호작용 구조에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 낮은 에너지 상호작용의 전체 집합을 매핑함으로써 어둠성 물질의 현상학적 연구 기초를 마련하는 것.

제안 방법

• 표준모형 필드(우측수성 중성자 포함)를 사용하여 차원 ≤6인 완전한 게이지 싱게트론 연산자 목록을 구성하는 것.
• 어둠성 물질 필드의 양자수와 안정성 대칭을 고려하여 어둠성 물질 필드만을 포함하는 별도의 목록을 생성하는 것.
• 두 목록을 조합하여 가시 영역과 어둠성 영역 간의 가능한 모든 상호작용 항을 식별하는 것.
• 기본적인 재정의 가능한 게이지 이론에서 각 효과적 연산자의 UV 기원을 분석하는 것.
• 군론적 및 대칭 기반 방법을 사용하여 표준모형 게이지군과 어둠성 물질 안정성 대칭 하에서 연산자를 분류하는 것.
• 각 상호작용이 UV 이론에서 나무 수준에서 생성 가능한지, 고리 보정이 필요한지 결정하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형과 게이지 싱게트론 입자들로 이루어진 어둠성 물질 영역 간의 상호작용을 매개하는 차원 ≤6인 효과적 연산자는 무엇인가?
• RQ2 이 연산자들 중 어떤 것이 UV 완전하고 재정의 가능한 이론에서 나무 수준에서 생성 가능한가?
• RQ3 어느 연산자들이 UV 이론에서의 생성을 위해 고리 보정이 필요한가?
• RQ4 개별 어둠성 물질 필드에 가해진 안정성 대칭은 허용 가능한 상호작용 구조에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ5 표준모형과 최소한의 어둠성 물질 영역 간의 가능한 낮은 에너지 상호작용의 전체 분류는 무엇인가?

주요 결과

• 표준모형 필드(우측수성 중성자 포함)와 관련된 모든 게이지 싱게트론 연산자 중 차원 ≤6인 것을 체계적으로 유도한 완전한 목록이 확보되었다.
• 스칼라, 좌우 쿠르티컬 페르미온, 벡터 입자를 포함한 어둠성 물질 필드만을 다루는 연산자 목록이 안정성 대칭 조건 하에서 구성되었다.
• 두 목록의 교집합을 통해 표준모형과 어둠성 물질 영역 간의 모든 가능한 재정의 가능하고 효과적인 상호작용이 도출되었다.
• 어떤 효과적 연산자는 UV 이론에서 나무 수준에서 생성 가능한 것으로 밝혀졌고, 다른 일부는 고리 수준의 동역학이 있어야만 등장할 수 있음을 규명하였다.
• 스테우켈베르크 메커니즘과 힉스 포털 상호작용이 어둠성 물질 결합을 매개하는 데서 수행하는 역할가 포함되었다.
• 이 프레임워크는 표준모형을 초월한 어둠성 물질 현상학 연구를 위한 완전한 기초를 제공하며, 직접 탐지 및 간접 탐지 신호를 포함한다.