[논문 리뷰] Extension of $ u$MSM model and possible explanations of recent astronomical and collider observations

Krishna Kulkarni|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 오른쪽 수체 스테레일 중성자와 이국적 힉스 스칼라에 결합하는 U(1)' 게이지 대칭을 도입함으로써 νMSM 모델을 확장하여 3.5 keV X선 선, 은하중심 과잉(GCE), 750 GeV 이중광자 과잉, 그리고 양성자 비대칭을 통합적으로 설명한다. 이 모델은 3.5 keV 선에 기인한 스테레일 중성자 질량 mN1 ~ 7 keV(3.5 keV 선용), GCE 및 비대칭 생성에 기여하는 mN2,3 ~ 5–60 GeV, 그리고 약 750 GeV의 새로운 스칼라를 예측하며, 이는 현재의 관측 제약 조건과 일치한다.

ABSTRACT

Here I present the extension to ${ u}$MSM model by adding a $U(1)'$ gauge symmetry under which right-handed fermions including sterile neutrinos and exotic Higgs scalar are charged. This model explains 3.5 keV line observed by XMM-Newton telescope as well as Galactic Center Excess(GCE) detected by Fermi-LAT satellite. The proposed model also accounts for recent diphoton excess of mass around 750 GeV produced in ATLAS and CMS detectors. Cosmological inconsistencies such as baryon asymmetry can also be explained. Verification of presented model is possible with current experimental techniques and limitations. Careful validation and analysis of the model needs to be done in future.

연구 동기 및 목표

• 여러 미해결된 천체물리학적 및 입자물리학적 관측 결과를 하나의 이론적 프레임워크 내에서 통합적으로 설명하기 위해.
• 오른쪽 수체 스테레일 중성자와 이국적 힉스 스칼라에 결합하는 U(1)′ 게이지 대칭을 도입하여 νMSM 모델을 확장하기 위해.
• XMM-Newton에서 관측된 3.5 keV X선 선을 7 keV 스테레일 중성자의 붕괴로 설명하기 위해.
• Fermi-LAT 데이터에서 관측된 은하중심 과잉(GCE)을 5–60 GeV 스테레일 중성자의 상호작용 붕괴로 설명하기 위해.
• 단일-페르미온 진동을 통해 비대칭 생성 메커니즘을 제공하기 위해.

제안 방법

• 이국적 힉스 스칼라 Φ의 진공 기대값에 의해 질량을 획득하는 새로운 게이지 보손 Eµ를 포함하는 U(1)′ 게이지 대칭을 도입한다.
• Eµ가 오른쪽 페르미온과 스테레일 중성자에 대해 gN 및 현재-현재 상호작용을 통해 결합하는 νMSM 라그랑지안을 확장한다.
• 질량 척도를 할당한다: 3.5 keV 선에 기여하는 mN1 ~ 7 keV, GCE 및 비대칭 생성에 기여하는 mN2,3 ~ 5–60 GeV, 이중광자 과잉에 기여하는 mΦ ~ 750 GeV.
• 스위프트 메커니즘을 사용하여 가벼운 활성 중성자 질량을 생성하며, 정상 계층에서 mν1 ~ 10−5 eV, mν2 ~ 9×10−6 eV, mν3 ~ 5×10−2 eV를 얻는다.
• CMB, 라이만-알파 숲, X선 관측, Fermi-LAT 데이터에서 제약 조건을 적용하여 스테레일 중성자 질량과 혼합 각도 파ameters를 고정한다.
• 미래의 Eµ, Φ, 스테레일 중성자 붕괴/상호작용 탐색을 통한 실험적 검증을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 U(1)' 확장된 νMSM가 동시에 3.5 keV X선 선, GCE, 750 GeV 이중광자 과잉을 설명할 수 있는가?
• RQ2 스테레일 중성자 질량과 혼합 각도는 3.5 keV 선과 GCE 설명에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ3 이 모델은 단일-페르미온 진동을 통해 충분한 비대칭을 생성할 수 있는가?
• RQ4 새로운 게이지 보손 Eµ와 이국적 힉스 Φ의 타당한 질량 및 결합 범위는 무엇인가?
• RQ5 이 모델은 현재 또는 근래의 실험 데이터로 어떻게 검증될 수 있는가?

주요 결과

• 3.5 keV X선 선은 혼합 각도 sin²(2θ) ≈ (2–20)×10⁻¹¹를 가지며, 7 keV 스테레일 중성자의 붕괴로 설명되며, XMM-Newton 및 73클러스터 분석과 일치한다.
• 은하중심 과잉(GCE)은 5–60 GeV 스테레일 중성자가 b¯b 또는 τ¯τ로 상호작용 붕괴함으로써 설명되며, ⟨σv⟩ ≈ (1–3)×10⁻²⁶ cm³/s이다.
• 750 GeV 이중광자 과잉은 질량 mΦ ≈ 750 GeV인 새로운 스칼라 Φ에 의해 설명되며, 루프 유도 과정을 통해 광자와 결합한다.
• 양성자 비대칭은 mN2,3 ~ 5–60 GeV 스테레일 중성자가 관여하는 공진 단일-페르미온 진동을 통해 생성된다.
• 모델은 중성미자 없는 이중베타 붕괴에 대한 효과적 메이저라 질량을 예측하며, 정상 계층에서 mββ ≈ 5×10⁻² eV이다.
• 모델은 천체물리적 제약 조건과 일치하며, 향후 Eµ, Φ, X선 및 감마선 대역에서의 스테레일 중성자 신호 탐색을 통한 실험 검증이 가능하다.