[논문 리뷰] Gauged $U(1)_{L_μ-L_τ}$ Scotogenic Model in light of $R_{K^{(*)}}$ Anomaly and AMS-02 Positron Excess

Zhi-Long Han, Ran Ding외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 중성미온 질량을 1-loop 차수에서 오른쪽 수체 중성미온과 관성 스칼라 이중체를 통해 생성하고, 무거운 $Z^\prime$ 보손이 $b \to s\mu^+\mu^-$ 전이를 매개하여 $B$-메손 붕괴에서의 $R_{K^{(*)}}$ 이４ anomaly를 설명하는 동시에, AMS-02 양전자 초과 현상을도 동시에 설명하는 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 대칭을 가진 스코토제닉 모형을 제안한다. $Z^\prime$ 보손은 $R_{K^{(*)}}$를 설명하는 데 기여하며, $NN \to Z^\prime Z^\prime$ 및 $NN \to Z^\prime H_0 \to Z^\prime Z^\prime$ 붕괴 채널을 통해 양전자 초과를 설명한다. 이 모든 과정은 현재의 실험 제약 조건 내에서 일관되게 유지된다.

ABSTRACT

We study the gauged $U(1)_{L_μ-L_τ}$ scotogenic model with emphasis on latest measurement of LHCb $R_{K^{(*)}}$ anomaly and AMS-02 positron excess. In this model, neutrino masses are induced at one-loop level with $Z_2$-odd particles, i.e., right-handed neutrinos $N_\ell(\ell=e,μ,τ)$ and inert scalar doublet $η$ inside the loop. Meanwhile, the gauged $U(1)_{L_μ-L_τ}$ symmetry is broken spontaneously by the scalar singlet $S$, resulting to the massive gauge boson $Z'$. Provided certain couplings to quarks induced by heavy vector-like quarks, the gauge boson $Z'$ would contribute to the transition $b o s μ^+μ^-$, hence explain the $R_{K^{(*)}}$ anomaly. As for the Majorana fermion DM $N$, the gauge boson $Z'$ and the singlet Higgs $H_0$ will generate various annihilation channels, among which the $NN o Z'Z'$ and $NN o Z'H_0( o Z'Z')$ channel could be used to interpret the AMS-02 positron excess. We give a comprehensive analysis on model parameter space with consider various current constraints. The combined analysis shows that the $R_{K^{(*)}}$ anomaly and AMS-02 positron excess can be explained simultaneously.

연구 동기 및 목표

• 단일 비표준 모형을 통해 $B$-메손 붕괴에서의 $R_{K^{(*)}}$ 이４ anomaly와 AMS-02 양전자 초과를 동시에 설명하고자 한다.
• 표준 모형 외의 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 대칭을 도입하여, 무거운 $Z^\prime$ 보손과 스칼라 싱เก트론 $S$를 도입함으로써 대칭의 자발적 비대칭을 유도한다.
• 어두운 물질 붕괴 채널인 $Z^\prime$ 및 스칼라 싱게트론 $H_0$를 포함하는 가능성을 탐색하여, 어두운 물질의 잔류 밀도나 직접 탐지 제약 조건을 위반하지 않으면서 관측된 양전자 초과를 설명할 수 있는지 분석한다.
• 중성미온 트라이드럴 생성, $B_s$ 혼합, 라이프레어 플레처 위반, CMB 측정 등에서의 제약 조건을 포함한 포괄적인 매개변수 공간 스캔을 수행한다.

제안 방법

• 스칼라 싱게트론 $S$가 진공 기대값(VEV)을 취함으로써, $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 대칭이 가진 $Z^\prime$ 게이지 보손이 질량을 얻는다.
• 오른쪽 수체 중성미온 $N_\ell$과 관성 스칼라 이중체 $\eta$를 통해 $Z_2$ 대칭을 유지하면서 1-loop 차수에서 중성미온 질량을 생성한다.
• 벡터-유사 쿼크들이 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 대칭에 따라 전하를 지닌다. 이를 통해 $b \to s\mu^+\mu^-$ 전이를 유도하고, $R_{K^{(*)}}$를 설명할 수 있다.
• 어두운 물질 붕괴 과정인 $NN \to Z^\prime Z^\prime$, $NN \to Z^\prime H_0$, $H_0 \to Z^\prime Z^\prime$를 분석한다. 여기서 $H_0$는 $Z_2$-홀드 스칼라 싱게트론에서 유래한다.
• 주성분 분석을 통해 $f_{\rm eff}(z)$를 계산하고, CMB 제약 조건을 도출하여 AMS-02 양전자 데이터와 비교한다.
• 재현 가능한 매개변수 스캔을 수행하며, 잔류 밀도, 직접 탐지(LUX, XENON1T, PandaX-II), $B_s$ 혼합, 중성미온 트라이드럴 생성, EGRB 측정 등에서의 제약 조건을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무거운 $Z^\prime$ 보손이 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 대칭을 가진 스코토제닉 모형 내에서 $B$-물리 제약 조건과 충돌하지 않으면서 $R_{K^{(*)}}$ 이４ anomaly를 설명할 수 있는가?
• RQ2 $NN \to Z^\prime Z^\prime$ 및 $NN \to Z^\prime H_0 \to Z^\prime Z^\prime$ 붕괴 채널이 AMS-02 양전자 초과를 설명할 수 있을 정도의 충분한 양전자 유량을 생성하는가?
• RQ3 중성미온 트라이드럴 생성, $B_s$ 혼합, 라이프레어 플레처 위반, 직접 탐지, CMB 측정 등에서의 복합 제약 조건을 모두 충족하는가?
• RQ4 $Z^\prime$의 결합 상수와 질량 범위가 $R_{K^{(*)}}$와 양전자 초과를 동시에 일관성 있게 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 질량 $M_{Z^\prime} \gtrsim 10~{\rm GeV}$, 결합 상수 $g^\prime \sim 10^{-3}$ 인 $Z^\prime$ 보손은 $b \to s\mu^+\mu^-$ 전이를 통해 $R_{K^{(*)}}$ 이４ anomaly를 설명할 수 있으며, $Y_Q = 0.122$ 및 $M_Q = 10~{\rm TeV}$ 조건에서 $C_9^\mu \approx -0.95$ 를 달성한다.
• $Z^\prime$의 질량과 결합 상수는 중성미온 트라이드럴 생성 및 $B_s$ 혼합에 의해 제약을 받으며, $550~{\rm GeV} \lesssim M_{Z^\prime}/g^\prime \lesssim 4~{\rm TeV}$ 범위로 제한된다. 이는 매우 가벼운 $Z^\prime$ 시나리오를 배제한다.
• $M_N \gtrsim M_{Z^\prime}$ 인 경우, 주요 붕괴 채널은 $NN \to Z^{\prime*} \to \mu^+\mu^-, \tau^+\tau^-$ 이며, $M_N > M_{Z^\prime}, M_{H_0}$ 인 경우 $NN \to Z^\prime Z^\prime$ 및 $NN \to Z^\prime H_0 \to Z^\prime Z^\prime$ 가 지배적이다.
• $NN \to Z^\prime Z^\prime$ 및 $NN \to Z^\prime H_0 \to Z^\prime Z^\prime$ 채널은 $\langle \sigma v \rangle_{\rm BF} \sim 10^{-26}~{\rm cm}^3/{\rm s}$ 수준의 효율적 붕괴 단면적을 통해 AMS-02 양전자 초과를 재현할 수 있으며, 관측된 양전자 분율과 일치한다.
• $z \sim 600$에서의 $f_{\rm eff}(z)$ 측정을 통해 CMB 제약 조건은 붕괴 단면적을 $\langle \sigma v \rangle_{\rm CMB} < 3.4 \times 10^{-28}~{\rm cm}^3/{\rm s}/{\rm GeV}$ 이하로 제한한다(95% 신뢰수준). 지역 밀도 불확실성 고려 후 데모니스트레이션 런은 여전히 약간의 일치를 보인다.
• 이 모형은 $R_{K^{(*)}}$ 이４ anomaly, AMS-02 양전자 초과, 중성미온 질량, 어두운 물질 잔류 밀도를 동시에 설명할 수 있으며, 직접 탐지, $B_s$ 혼합, $B$-물리 제약 조건과도 일관된다.