[논문 리뷰] Minimalistic scotogenic scalar dark matter

Ivania M. Ávila, Valentina De Romeri외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 18.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 복소 스칼라 싱게트와 트리플렛 스칼라 필드가 $Χ_2$ 대칭을 통해 중성미온 질량을 생성하면서도, 가장 가벼운 상태가 약하게 상호작용하는 거대한 입자(WIMP) 어둠료 물질이 되는 최소한의 스코토제닉 스칼라 어둠료 물질 모형을 제안한다. 이 모형은 중성미온 진동 데이터, 힉스 보존 측정치, 어둠료 물질의 잔류 밀도 및 직접 탐지 제약 조건을 성공적으로 조율하며, 가벼운 어둠료 물질과 관측 가능한 LHC 모노제트 신호에 대해 타당한 매개변수 영역을 제공한다.

ABSTRACT

We reexamine the minimal Singlet + Triplet Scotogenic Model, where dark matter is the mediator of neutrino mass generation. We assume it to be a scalar WIMP, whose stability follows from the same $\mathbb{Z} _{2}$ symmetry that leads to the radiative origin of neutrino masses. The scheme is the minimal one that allows for solar and atmospheric mass scales to be generated. We perform a full numerical analysis of the signatures expected at dark matter as well as collider experiments. We identify parameter regions where dark matter predictions agree with theoretical and experimental constraints, such as neutrino oscillations, Higgs data, dark matter relic abundance and direct detection searches. We also present forecasts for near future direct and indirect detection experiments. These will further probe the parameter space. Finally, we explore collider signatures associated with the mono-jet channel at the LHC, highlighting the existence of a viable light dark matter mass range.

연구 동기 및 목표

• 단일 $Χ_2$ 대칭을 통해 동시에 중성미온 질량과 어둠료 물질을 설명하는 표준모형의 최소한의 확장 모형을 제안하기.
• 중성미온 진동 데이터, 힉스 보존 측정치, 어둠료 물질 제약 조건과 일치하는 타당한 매개변수 영역을 규명하기.
• 향후 직접 및 간접 어둠료 물질 탐지 실험의 민감도를 예측하기.
• 특히 LHC의 모노제트 채널에서 모형의 매개변수 영역를 탐색하기 위한 콜라이더 서명을 탐색하기.

제안 방법

• 어둠료 물질 안정성과 반사적 중성미온 질량 생성을 보장하는 $Χ_2$ 대칭을 가진 표준모형의 스칼라 싱게트 및 트리플렛 확장을 구현하기.
• 이론적 및 실험적 제약 조건에 대해 모형의 매개변수 영역을 수치적으로 스캔하기.
• 중성미온 진동 데이터, 힉스 신호 강도, 어둠료 물질 잔류 밀도(열적 동결-아웃을 통한 계산), 그리고 직접 탐지 제약 조건(예: XENON1T)을 적용하기.
• 직접 및 간접 탐지 실험의 향후 실험적 접근 범위를 사용하여 향후 탐지 민감도를 예측하기.
• LHC 모노제트 서명을 시뮬레이션하여 특히 가벼운 어둠료 물질에 대해 관측 가능한 신호 영역를 식별하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스칼라 싱게트와 트리플렛를 포함한 최소한의 스코토제닉 모형에서 현재의 중성미온 진동 및 힉스 데이터와 일치하는 매개변수 영역는 무엇인가요?
• RQ2 이 모형은 관측된 어둠료 물질 잔류 밀도 및 직접 탐지 제약 조건을 얼마나 잘 충족합니까?
• RQ3 향후 직접 및 간접 어둠료 물질 탐지 실험에서 접근 가능한 매개변수 영역의 영역는 어디입니까?
• RQ4 이 모형의 콜라이더 서명, 특히 LHC의 모노제트 채널에서의 서명는 무엇입니까?
• RQ5 모든 현재 및 향후 제약 조건과 일치하는 가벼운 어둠료 물질 질량 범위는 존재합니까?

주요 결과

• 스칼라 싱게트가 약하게 상호작용하는 거대한 입자(WIMP) 어둠료 물질 후보로 기능하며, 관측된 어둠료 물질 잔류 밀도와 일치하는 타당한 매개변수 영역를 식별하였다.
• 모형은 $Χ_2$ 대칭 스칼라 부문을 통한 반사적 생성을 통해 태양 및 대기 중성미온 진동에 대응하는 중성미온 질량 척도를 성공적으로 재현하였다.
• 직접 탐지 제약 조건, 특히 XENON1T의 결과로 인해 매개변수 영역가 특히 더 무거운 어둠료 물질 질량에서 크게 제한된다.
• 향후 직접 및 간접 탐지 실험은 남아 있는 타당한 매개변수 영역의 상당 부분을 탐색할 것으로 예측된다.
• LHC 모노제트 채널은 관측 가능한 신호를 제공하는 유망한 발견 채널이며, 특히 가벼운 어둠료 물질 질량에서도 관측 가능한 신호가 기대된다.
• 현재 제약 조건과 모두 일치하며 향후 콜라이더 및 직접 탐지 실험에서 접근 가능한 가벼운 어둠료 물질 질량 범위가 확인되었다.