[논문 리뷰] Scale-Invariant Two Component Dark Matter

Seyed Yaser Ayazi, Ahmad Mohamadnejad|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 27.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 27인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 고전적 척도 불변 확장 내에서 척도 불변인 이성분 다크 물질 모형을 제안한다. 이 모형은 스칼라 및 스피너 다크 물질 입자 간의 상호작용을 스칼론 필드를 통해 매개한다. 연구는 스피너 성분이 관측된 잔여 밀도를 지배함을 보이며, 직접 탐지, 비가시 힉스 붕괴, 자가 상호작용 등의 제약 조건이 매개변수 공간의 일부를 배제함으로써 자유 매개변수를 감소시킨 최소한의 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

We study a scale invariant extension of the standard model which can explain simultaneously dark matter and the hierarchy problem. In our set-up, we introduce a scalar and a spinor as two-component dark matter in addition to scalon field as a mediator. Interesting point about our model is that due to scale invariant conditions, compared to other two-component dark matter models, it has lower independent parameters. Possible astrophysical and laboratory signatures of two-component dark matter candidate are explored and it is shown that the most contribution of observed relic density of dark matter can be determined by spinor dark matter. Detectability of these dark matter particles is studied and the direct and invisible Higgs decay experiments are used to rule out part of the parameter space of the model. In addition, the dark matter self-interactions are considered and shown that their contribution saturate this constraint in the resonant regions.

연구 동기 및 목표

• 고전적 척도 불변성에 기반한 단일이고 최소한의 프레임워크 내에서 계층 문제와 다크 물질 잔여 밀도를 동시에 해결하기 위해.
• 스칼라 및 스피너 필드로 구성된 이성분 다크 물질 시나리오를 제안하며, 안정성을 확보하기 위해 Z₂ 대칭에 대해 둘 다 기껏해야 홀수 성질을 가짐.
• 척도 불변성 조건을 도입함으로써 자유 매개변수의 수를 줄여 모형의 예측 능력을 향상시키기 위해.
• 천체물리학적 및 실험적 제약 조건, 즉 직접 탐지, 비가시 힉스 붕괴, 자가 상호작용 등을 탐색하기 위해.
• 관측된 다크 물질 잔여 밀도에 대한 주요 기여 성분을 규명하고, 다양한 실험적 탐지 수단에서의 탐지 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• 표준모형의 척도 불변 확장을 위해 힉스 질량 항을 제거하고 스칼라 싱เก트론(S), 스피너 싱게트론(χ), 스칼론 필드(ϕ)를 도입하며, 이들은 모두 SM 게이지 대칭에 대해 싱게트론이다.
• S와 χ가 기껏해야 홀수 성질을 가지는 Z₂ 대칭을 도입하여, 가장 가벼운 기껏해야 홀수 입자의 안정성을 확보하며, ϕ 및 모든 SM 필드는 짝수 성질을 가진다.
• 히iggs, ϕ, S 및 그 상호작용을 포함하는 재규격화 가능한 척도 불변 포텐셜을 구성한다: λ_H(H†H)² + λ_ϕϕ⁴/4! + λ_sS⁴/4! + λ_ϕHϕ²H†H + λ_sH S²H†H + λ_ϕsϕ²S².
• 스피너 섹터에 양자역학적 쿠퍼 결합을 포함한다: ℒ_spinor = χ̄(iγᵘ∂ᵤ - gϕ)χ, 이는 χ가 스칼론 필드와 상호작용할 수 있도록 한다.
• 코헨-바이너버그 메커니즘을 사용하여 대칭의 자발적 위반을 반사적으로 유도하고, 전자약 대칭 깨짐 이후 모든 필드의 질량을 생성한다.
• 비상대론적 양자장론 및 전파함수 극을 사용하여 다크 물질 자가 상호작용 및 비가시 힉스 붕괴의 단면적과 붕괴율을 유도하며, 무거운 힉스 상태 H₁ 및 H₂의 공진 기여를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 척도 불변인 이성분 다크 물질 모형이 동시에 계층 문제를 해결하고 관측된 다크 물질 잔여 밀도를 재현할 수 있는가?
• RQ2 이 모형에서 스칼라 또는 스피너 중 어느 성분이 잔여 밀도를 지배하는가? 그리고 그 지배성은 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ3 직접 탐지 실험과 비가시 힉스 붕괴 탐색이 모형의 매개변수 공간을 어떻게 제약하는가?
• RQ4 특히 공진 영역에서의 다크 물질 자가 상호작용은 천체물리학적 및 천문학적 관측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 기존의 이성분 다크 물질 모형에 비해 척도 불변성이 자유 매개변수의 수를 얼마나 줄이는가?

주요 결과

• 스피너 다크 물질 성분이 관측된 다크 물질 잔여 밀도의 주요 기여자이며, 스칼라 성분은 보조 기여자 역할을 한다.
• 모형의 매개변수 공간은 비가시 힉스 붕괴 탐색으로 인해 크게 제약을 받으며, 특히 힉스 보손이 다크 물질 쌍으로 붕괴하는 경우에 매개변수 공간의 큰 영역이 배제된다.
• 직접 탐지 제약 조건은 스칼라 DM 성분이 스칼론과 결합하기 때문에 매개변수 공간의 큰 부분을 배제하는 데 효과적이다.
• 다크 물질 자가 상호작용은 공진 영역에서 증폭되며, 특히 χχ → χχ 및 SS → SS 과정에서 천체물리학 관측 결과에서 얻은 상한에 가까이 도달한다.
• 척도 불변성 덕분에 자유 매개변수의 수가 최소화되어, 척도 불변이 아닌 이성분 다크 물질 모형보다 더 예측 가능성이 높다.
• Sχ → Sχ의 자가 상호작용 단면적은 운동량 이동과 공진 힉스 상태 H₁ 및 H₂의 존재에 민감하며, 모든 관련 과정에 대해 명시적인 공식이 유도되었다.