[논문 리뷰] Impact of leptonic unitary and DM direct detection experiments on sneutrino DM sector in the NMSSM with inverse seesaw mechanism

Junjie Cao, Yangle He외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 81인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 역세우기 메커니즘을 갖춘 다음 최소 초대칭 표준모형(NMSSM)에서 렙톤 단위성과 직접적 암흑물질 탐측(XENON-1T 및 향후 LZ)의 제약 조건을 활용하여 스네우트리노를 암흑물질(DM) 후보로 조사한다. 네스티드 샘플링을 적용하여 고차원 매개변수 공간을 스캔하고 실험적 제약 조건을 가능도 함수에 포함시킴으로써, 이러한 제약 조건이 상호보완적임을 보이며, 특히 암흑물질이 가볍고 약하게 상호작용하는 영역에서 중성미소 양자수 상수 $\lambda_u$와 $Y_u$를 강하게 제약함을 밝혀낸다.

ABSTRACT

In the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model with inverse seesaw mechanism for neutrino mass, the lightest sneutrino may act as a feasible DM candidate in broad parameter space. In this case, the smallness of the unitary violation in neutrino sector and the recent XENON-1T experiment are able to limit the DM sector, especially they can set upper bounds on neutrino Yukawa couplings $\lambda_ u$ and $Y_ u$. We study such an effect by encoding the constraints in a likelihood function and then performing elaborated scans over the vast parameter space of the theory by Nested Sampling algorithm. We show that the constraints are complementary to each other in limiting the theory, and in some cases they are rather tight. We also study the impact of future LZ experiment on the theory.

연구 동기 및 목표

• 역세우기 메커니즘을 갖춘 NMSSM에서 가장 가벼운 스네우트리노가 암흑물질 후보로 가능한지 평가하기.
• 렙톤 단위성과 직접 탐측 실험(XENON-1T)의 제약 조건이 스네우트리노 DM 부문의 매개변수 공간에 미치는 영향을 평가하기.
• 단위성과 직접 탐측 제약 조건 간의 상호보완성이 중성미소 양자수 상수 $\lambda_u$와 $Y_u$를 제약하는 데 어떻게 작용하는지 조사하기.
• 향후 LZ 실험의 영향을 스네우트리노 DM 모델의 이론적 제약 조건에 대해 예측하기.

제안 방법

• 역세우기 메커니즘을 갖춘 NMSSM의 고차원 매개변수 공간을 포괄적으로 스캔하기 위해 네스티드 샘플링 알고리즘을 활용하기.
• 렙톤 단위성과 XENON-1T 직접 탐측의 실험 제약 조건을 가능도 함수에 통합하여 베이지안 추론 수행하기.
• 가능도 함수를 사용하여 매개변수 공간을 가중치 부여하고 제약 조건을 설정하며, 스네우트리노 DM 후보 및 그 상호작용에 집중하기.
• 단위성 한계와 직접 탐측 한계 간의 상호작용을 분석하여 $\lambda_u$와 $Y_u$에 대한 병합된 제약력 평가하기.
• LZ 실험의 예상 제약 조건을 시뮬레이션하여 향후 감도를 예측하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 렙톤 단위성 제약 조건과 XENON-1T 직접 탐측 데이터가 역세우기 메커니즘을 갖춘 NMSSM에서 스네우트리노 DM의 매개변수 공간을 어떻게 함께 제약하는가?
• RQ2 단위성과 XENON-1T 데이터의 조합이 중성미소 양자수 상수 $\lambda_u$와 $Y_u$에 얼마나 강하게 제약을 가하는가?
• RQ3 매개변수 공간의 어느 영역에서 이러한 제약 조건이 특히 강해지는가?
• RQ4 XENON-1T의 제약 조건이 단위성 제약 조건에 비해 강도와 상호보완성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 향후 LZ 실험은 스네우트리노 DM 부문을 탐색하는 데 있어 감도에 어떤 향상이 기대되는가?

주요 결과

• 렙톤 단위성과 XENON-1T의 제약 조건은 상호보완적이며, 스네우트리노 DM 후보의 타당한 매개변수 공간을 크게 줄였다.
• 매개변수 공간의 많은 영역, 특히 가벼운 스네우트리노 DM 영역에서는 단위성과 XENON-1T의 병합 제약 조건이 중성미소 양자수 상수 $\lambda_u$와 $Y_u$에 엄격한 상한선을 설정한다.
• XENON-1T 결과는 스네우트리노 DM이 쿼크와의 상호작용에 대해 강력한 제약을 가하며, 특히 $Y_u$ 상수를 강하게 제약한다.
• 네스티드 샘플링 방법은 매개변수 공간에서 가장 제약이 강한 영역을 성공적으로 식별하고 정량화하였으며, $\lambda_u$와 $Y_u$가 DM 현상학을 결정하는 데서 수행하는 역할을 부각시켰다.
• 향후 LZ 실험은 특히 저질량 암흑물질 영역에서 $\lambda_u$와 $Y_u$에 대한 제약 조건을 더욱 강화할 것으로 기대된다.