[논문 리뷰] Neutron Dark Matter Decays

A. N. Ivanov, Roman Höllwieser외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 26.

Atomic and Subatomic Physics Research참고 문헌 63인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 뉴트론 수명 문제의 새로운 해법을 제안하며, $n \to \chi + \nu_e + \bar{\nu}_e$ 및 $n \to \chi + e^- + e^+$ 두 가지 어둠의 물질 붕괴 모드를 도입한다. 여기서 $\chi$는 어둠의 물질 디랙 Fermion이다. 이전 모델들과 달리, $n \to \chi + e^- + e^+$ 모드가 탐지 불가능할 수 있지만, Fierz 간섭을 통해 botlle 및 비ーム 실험 결과 간의 격차를 해결할 수 있음을 보여주며, LHC 및 천체물리적 제약 조건을 만족하는 UV 완전한 $SU_L(2)\times U_R(1)\times U_R'(1)\times U_L''(1)$ 게이지 이론 모델을 제시한다.

ABSTRACT

We analyse the discrepancy between the neutron lifetimes measured in the bottle and beam experiments. Following Fornal and Grinstein (Phys. Rev. Lett. 120, 191801 (2018)) we propose an explanation of such a puzzle by the dark matter channels of the neutron decay. However, unlike Fornal and Grinstein in addition to the dark matter decay channel n -> χ+ e^- + e^+, where χis a dark matter Dirac fermion and (e^-e^+) is an electron--positron pair, we assume the existence of the dark matter channel n -> chi + ν_e + \barν_e, where ν_e \barν_e is the electron neutrino-antineutrino pair. This allows to describe the discrepancy between the measurements of the neutron lifetime even in case of an unobservability of the dark matter decay channel n -> χ+ e^- + e^+, which may be below the reaction threshold. The existence of the coupling n -> χ+ e^- + e^+ can be observed experimentally by measuring electron-neutron scattering e^- + n -> χ+ e^- at very low electron energies, induced with the strength as of the decay n -> χ+ ν_e + \barν_e$. We propose a gauge invariant quantum field theory model with SU_L(2) imes U_R(1) imes U_R'(1) imes U''_L(1) symmetry for the UV completion of the effective (nχ\ell \bar{\ell}) interaction, where \ell(\bar{\ell}) is electron (positron) or neutrino(antineutrino).

연구 동기 및 목표

• 보틀 및 비임 실험에서 측정된 뉴트론 수명 간 지속적인 1% 격차를 해결하기 위해.
• 포날 및 그린스타인의 어둠의 물질 붕괴 가설을 확장하여 $n \to \chi + \nu_e + \bar{\nu}_e$ 모드를 핵심 기여자로 포함하기 위해.
• 효과적 $(n\chi\ell\bar{\ell})$ 상호작용을 $SU_L(2)\times U_R(1)\times U_R'(1)\times U_L''(1)$ 대칭성으로 UV 완성하는 게이지 불변 양자장 이론 모델을 구축하기 위해.
• 모델이 LHC 제약 조건, 뉴트론 성운 냉각, 어둠의 물질 생성 한계와 충돌하지 않음을 보여주기 위해.
• $n \to \chi + e^- + e^+$ 모드가 탐지 불가능할 수 있지만 Fierz 간섭을 통해 뉴트론 수명에 영향을 줄 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 전자-양전자 및 중성자-반중성자 최종 상태를 포함한 $n \to \chi + \ell + \bar{\ell}$에 대한 효과적 저에너지 상호작용 라그랑지안을 도입한다.
• 효과적 상호작용을 실현하기 위해 $SU_L(2)\times U_R(1)\times U_R'(1)\times U_L''(1)$ 게이지 대칭성을 가진 UV 완전한 양자장 이론 모델을 구축한다.
• 저에너지에서 $e^- + n \to \chi + e^-$의 진폭을 유도하여 $n \to \chi + \nu_e + \bar{\nu}_e$ 모드에 의해 유도되는 결합을 탐색한다.
• 쿼크 콘덴세이트 $\langle \bar{d}d \rangle = -(0.240\,\text{GeV})^3$를 사용하여 $q\bar{q} \to \chi\bar{\chi}$의 억제 스케일 $\Lambda_{\rm DM} \geq 790\,\text{GeV}$를 추정한다.
• $t$-채널 $u_j\bar{u}^j \to \chi\bar{\chi}$ 과정을 사용하여 $|\xi_\chi| \sim 1/\Lambda_\chi^4$를 추정하며, $\Lambda_\chi \sim 2.4\,\text{GeV}$로, ATLAS 제약 조건과 일치한다.
• 뉴트론 성운 냉각을 URCA 유사 과정을 통해 분석한다: $n+n \to \chi+\chi$, $n+n \to \chi+\chi+\nu_e+\bar{\nu}_e$, 및 $\chi+\chi \to n+n$.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 만약 $n \to \chi + e^- + e^+$ 모드가 임계값 이하일 경우, $n \to \chi + \nu_e + \bar{\nu}_e$ 붕괴 모드만으로도 뉴트론 수명 격차를 해결할 수 있는가?
• RQ2 $n \to \chi + e^- + e^+$ 모드가 실험적 비관측과 일치하면서도 뉴트론 수명에 영향을 줄 수 있는가?
• RQ3 게이지 불변성과 이상치를 피하는 조건을 유지하면서 효과적 $(n\chi\ell\bar{\ell})$ 상호작용의 UV 완성은 무엇인가?
• RQ4 제안된 어둠의 물질 붕괴 모드가 LHC, 뉴트론 성운 냉각, 어둠의 물질 생성 제약 조건과 충돌하는가?
• RQ5 모델이 뉴트론 성운에서 냉각 속도를 증가시킬 수 있는 URCA 유사 과정을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 $n \to \chi + e^- + e^+$ 모드가 관측 가능하지 않아도, $n \to \chi + \nu_e + \bar{\nu}_e$ 모드만으로도 1%의 격차를 설명할 수 있음을 보여주며, 뉴트론 수명 격차를 해결한다.
• 뉴트론 $\beta^-$ 붕괴에서 Fierz 간섭 항은 $b \sim -10^{-2}$로 예측되며, 이는 표준모형을 초월한 기여가 상당히 크다는 것을 시사한다.
• UV 완전한 모델은 $SU_L(2)\times U_R(1)\times U_R'(1)\times U_L''(1)$ 게이지 대칭성을 가짐으로써 효과적 상호작용을 실현하고 Adler-Bell-Jackiw 이상치를 피한다.
• $q\bar{q} \to \chi\bar{\chi}$의 억제 스케일은 $\Lambda_{\rm DM} \geq 790\,\text{GeV}$로 추정되며, 어둠의 물질 생성에 대한 ATLAS 제약 조건과 일치한다.
• 모델은 뉴트론 성운에서 URCA 유사 과정을 허용한다: $n+n \to \chi+\chi$, $n+n \to \chi+\chi+\nu_e+\bar{\nu}_e$, 및 $\chi+\chi \to n+n$으로, 이는 냉각 속도를 증가시킬 수 있다.
• 결합 강도는 $|\xi_\chi| \sim 1/\Lambda_\chi^4$로 추정되며, $\Lambda_\chi \sim 2.4\,\text{GeV}$로, 저에너지 전자-뉴트론 산란 신호와 일치한다.