[논문 리뷰] Scalar technibaryon Dark Matter from vector-like SU(2) Technicolor

Roman Pasechnik, Vitaly Beylin외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 벡터형식의 $SU(2)_{\text{TC}}$ 기술색역 모형에서 스칼라 기술바리온 $B^0 = UD$ 를 1 테라볼트 근처의 질량을 지닌 암흑물질 후보로 제안한다. 이는 나무 수준의 벡터 결합이 $Z$ 보손과 상호작용하지 않기 때문에 직접 탐지 제약 조건을 회피하며, 주로 나무 수준의 힉스 교환을 통해 스핀-독립적 산란이 발생한다. 룩스(LUX) 실험 데이터와의 일치는 $m_{\tilde{\pi}} \ll \Lambda_{\text{TC}}$ 체계의 비율과 일치한다.

ABSTRACT

In this article, we investigate a potential of the lightest scalar technibaryon state $B^0=UD$ with mass $m_B\sim 1$ TeV naturally predicted by the consistent vector-like $SU(2)_{ m TC}$ two-flavor Technicolor model as a Dark Matter (DM) candidate. The $SU(2)_{ m TC}$ gauge dynamics enables to construct Diract techniquark in confinement from the original chiral multiplets, naturally leading to vector-like nature of weak interactions. We show that two different scenarios with the technibaryon relic abundance formation before and after the electroweak (EW) phase transition epoch lead to symmetric (or mixed) and asymmetric DM, respectively. Such a DM candidate evades existing direct DM detection constraints since its vector coupling to $Z$ boson absents at tree level, while one-loop gauge boson mediated contribution is shown to be vanishingly small close to the threshold. The dominating spin-independent (SI) technibaryon-nucleon scattering goes via tree-level Higgs boson exchange in the $t$-channel. The corresponding bound on the effective technibaryon-Higgs coupling has been extracted from the LUX data and turns out to be consistent with naive expectations from $m_{ ilde \pi}\ll \Lambda_{ m TC}$ scale hierarchy. The latter provides the most stringent constraint to strongly-coupled $SU(2)_{ m TC}$ dynamics so far. Future prospects for direct and indirect scalar T-baryon DM searches in astrophysics as well as in collider measurements have been discussed.

연구 동기 및 목표

• 벡터형식의 $SU(2)_{\text{TC}}$ 이두성 기술색역 모형에서 스칼라 기술바리온 $B^0 = UD$ 가 암흑물질 후보로 타당한지 탐색한다.
• 전자약 상전이 이전과 이후의 두 가지 다른 천체물리적 시나리오에서 기술바리온 암흑물질의 재현 밀도 형성 과정을 분석한다.
• 기존의 직접 탐지 제약 조건, 특히 룩스 실험 결과와의 일치성을 평가한다.
• 기술바리온-힉스 결합에 대한 제약 조건을 유도하고, 지금까지 가장 엄격한 강한 $SU(2)_{\text{TC}}$ 동역학 스케일에 대한 경계를 도출한다.

제안 방법

• 디랙 기술쿼크를 $SU(2)_{\text{TC}}$ 게이지 이론에서의 카르탕 다중체를 통해 비틀림 다중체로 구성함으로써 벡터형식의 약한 상호작용을 보장한다.
• 기본 전이 시점에 따라 대칭적 또는 비대칭적 동결-아웃 메커니즘에 따라 기술바리온의 천체물리적 진화를 분석하여 잔류 밀도가 어떻게 형성되는지 규명한다.
• 기술바리온-$Z$ 결합의 나무 수준 및 1-루프 기여를 평가하여, 임계점 근처에서 후자가 무시할 수 있음을 보여준다.
• $t$-채널 힉스 교환을 통해 스핀-독립적 기술바리온-핵자 산란 진폭을 계산하며, 효과적 장 이론 기법을 사용한다.
• 룩스 직접 탐지 데이터를 적용하여 효과적 기술바리온-힉스 결합을 제약 조건으로 설정하며, $m_{\tilde{\pi}} \ll \Lambda_{\text{TC}}$ 체계의 비율을 가정한다.
• 미래의 직접 탐지, 간접 탐지 및 충돌기 실험에서의 기술바리온 암흑물질 탐색 가능성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1 테라볼트 근처 질량을 지닌 스칼라 기술바리온 $B^0 = UD$ 는 벡터형식의 $SU(2)_{\text{TC}}$ 기술색역 모형에서 타당한 암흑물질 후보가 될 수 있는가?
• RQ2 전자약 상전이의 시점은 대칭적 또는 비대칭적 암흑물질 형성에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ3 기본적으로 힉스 보손과 상당한 결합을 가지는 데도 기술바리온은 왜 직접 탐지 제약 조건을 회피하는가?
• RQ4 룩스 데이터를 바탕으로 기술바리온-힉스 결합에 대한 가장 엄격한 $SU(2)_{\text{TC}}$ 동역학 스케일 제약 조건은 무엇인가?
• RQ5 미래의 직접 탐지, 간접 탐지 또는 충돌기 실험을 통해 스칼라 기술바리온 암흑물질을 탐지할 수 있는 가능성이 있는가?

주요 결과

• 질량 약 1 테라볼트의 스칼라 기술바리온 $B^0 = UD$ 는 디랙 기술쿼크의 비틀림으로 인해 자연스럽게 발생하는, 벡터형식의 $SU(2)_{\text{TC}}$ 기술색역 모형에서 타당한 암흑물질 후보이다.
• 전자약 상전이 이전과 이후의 두 가지 다른 천체물리적 시나리오에서 각각 대칭적, 비대칭적 암흑물질이 형성되며, 이는 동결-아웃 메커니즘에 따라 달라진다.
• 기술바리온은 나무 수준의 벡터 결합이 $Z$ 보손과 존재하지 않으며, 임계점 근처에서 1-루프 기여도 무시할 수 있을 정도로 작다. 이는 직접 탐지 제약 조건을 회피하는 이유를 설명한다.
• 핵자와의 주요 스핀-독립적 산란은 $t$-채널에서의 나무 수준 힉스 교환을 통해 발생하며, 이는 주요 상호작용 채널이 된다.
• 룩스 데이터는 효과적 기술바리온-힉스 결합을 $m_{\tilde{\pi}} \ll \Lambda_{\text{TC}}$ 스케일 비율과 일치하는 값으로 제약 조건을 둔다. 이는 지금까지 $SU(2)_{\text{TC}}$ 동역학 스케일에 대해 유도된 가장 엄격한 경계이다.
• 미래의 직접 탐지, 간접 탐지 및 충돌기 실험은 스칼라 기술바리온 암흑물질 후보를 탐색하거나 발견할 가능성이 매우 높다.