[논문 리뷰] Lepton Flavor Model and Decaying Dark Matter in The Binary Icosahedral Group Symmetry

Kenji Hashimoto, Hiroshi Okada|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 17.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 25인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 이진 이코사헤드랄 군 $A^{\text{'} }_{5}$ 대칭을 기반으로 한 레프톤 페어링 모델을 제안하며, 쿼크와 레프톤 질량 및 혼합을 동시에 설명하면서도, 차원 6 연산자를 통해 붕괴하는 어두운 물질(DM)이 유니버설 삼체 레프톤 붕괴로 제약을 받는다. 이 모델은 GUT 스케일로 억제되는 $A^{\text{'} }_{5}$-보호 연산자를 통해, $\mathcal{O}(10^{26})$ 초의 DM 수명을 가짐으로써 PAMELA와 Fermi-LAT의 간섭 우주선 양성자 비정상 현상과 일치시킨다.

ABSTRACT

We propose a new flavor model that can simlutaneously well-describe the indirect detection experiment of (decaying) dark matter in the cosmic-ray, with the binary icosahedral group A'_5. We show not only that the A'_{5} symmetry can derive quark and lepton masses and mixings consistently, but also that are expected some predictions for the lepton sector. And if we assume a gauge-singlet fermionic decaying dark matter, its decay operators are also constrained by this symmetry so that only dimension six operators of leptonic decay are allowed up to six dimensional Lagrangians. We find that the cosmic-ray anomalies reported by PAMELA and Fermi-LAT are well explained by decaying dark matter controlled by the A'_{5} flavor symmetry, which induces universal decays.

연구 동기 및 목표

• 쿼크와 레프톤 질량 및 혼합을 설명하는 이진 이코사헤드랄 군 $A^\prime_5$ 기반의 통합된 페어링 모델을 구축하기.
• A^\prime_5 대칭을 사용하여 어두운 물질 붕괴 연산자의 구조를 제약하여, 특정 고차원 연산자만 허용되도록 하기.
• 장수하는 페르미온성, 게이지 싱เก트 어두운 물질 입자가 레프톤으로 붕괴하는 것으로, PAMELA와 Fermi-LAT가 관측한 간섭 우주선 양성자 과잉 현상을 설명하기.
• A^\prime_5 대칭이 어두운 물질의 유니버설 삼체 붕괴를 유도함으로써, 간접 탐지 데이터와 일치하는, 레프톤으로의 붕괴를 보장하기.
• 모델이 불필요한 붕괴 모드와 반양성자 생성을 자연스럽게 억제하여, 실험 제약 조건과 일치함을 보여주기.

제안 방법

• matter 필드를 $A^\prime_5$ 및 $Z_4$ 대칭의 기저 표현으로 할당하며, 레프톤에는 $\mathbf{3'}$, 쿼크에는 $\mathbf{(2,1)}$ 표현을 사용하여 양자수 상수를 제약한다.
• A^\prime_5 \times Z_4 불변량을 사용하여 국소적 양자수 상수 라그랑지안을 구성하여, 자유 매개변수 수가 제어된 질량 행렬을 도출한다.
• A^\prime_5 표현의 텐서 곱 규칙을 사용하여 질량 행렬과 상호작용 항의 구조를 유도하며, 특히 레프톤 및 쿼크 부문에서의 구조를 분석한다.
• 어두운 물질 붕괴는 $\bar{L} E \bar{L} X / \Lambda^2$ 형태의 차원 6 연산자를 통해 매개되며, 여기서 $X$ 는 게이지 싱게트 페르미온성 DM이고, $\Lambda \sim 10^{16}$ GeV이다.
• A^\prime_5 대칭은 유니버설 삼체 레프톤 붕괴를 유도하는 연산자만 허용하여, 과도한 감마선 생성을 방지한다.
• 모델은 군 이론적 선택 규칙을 통해 레프톤 부문의 특정 혼합 패턴과 DM 붕괴 분포비율을 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이진 이코사헤드랄 군 $A^\prime_5$ 대칭은 자유 매개변수의 최소 수로 관측된 레프톤 혼합 각도와 쿼크 질량을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 $A^\prime_5$ 대칭 하에서 어두운 물질 붕괴를 위한 허용 가능한 고차원 연산자는 무엇이며, 이는 관측 가능한 간섭 우주선 서명을 유도하는가?
• RQ3 $A^\prime_5$-보호된 차원 6 연산자가 PAMELA와 Fermi-LAT의 양성자 과잉 현상을 설명할 수 있는가? 이 경우 반양성자나 감마선 과잉 생성을 피할 수 있는가?
• RQ4 $A^\prime_5$ 페어링 대칭은 어두운 물질의 유니버설 레프톤 붕괴 모드를 유도하는가? 이는 예측된 양성자 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 $A^\prime_5$ 대칭은 뉴트리노 질량 행렬과 레프톤 혼합의 구조를 어떻게 제약하는가? 특히 큰 $\theta_{13}$ 각도를 고려할 때 어떻게 작용하는가?

주요 결과

• A^\prime_5 \times Z_4 대칭 프레임워크 하에서 쿼크 부문 질량 행렬은 12개의 자유 매개변수를 가짐으로써 9개의 관측 가능량을 일관되게 피팅할 수 있다.
• 레프톤 부문 질량 행렬은 오직 5개의 자유 매개변수만을 가짐으로써, T2K 실험에서 관측된 큰 $\theta_{13}$ 혼합 각도와 일치하는 특정 혼합 패턴을 예측한다.
• A^\prime_5 대칭은 페르미온성 어두운 물질 붕괴에 대해 오직 차원 6 연산자만 허용하여, 더 낮은 차원의 연산자가 유도하는 짧은 수명을 억제한다.
• 모델은 어두운 물질의 유니버설 삼체 붕괴를 예측하며, 붕괴 분포비율은 $A^\prime_5$-불변 상수에 의해 결정된다.
• 예측된 어두운 물질 수명은 $\mathcal{O}(10^{26})$ 초이며, PAMELA와 Fermi-LAT의 관측된 간섭 우주선 양성자 과잉 현상과 일치한다.
• 실험 데이터에서 요구하는 바와 같이, 쿼크나 광자로의 주요 붕괴 모드가 억제됨으로써 반양성자 및 감마선 과잉 생성을 피한다.