[논문 리뷰] Scotogenic R uMDM at Three-Loop Level

Petar Čuljak, Krešimir Kumerički외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 27인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 2HDM 프레임워크 내에서 페르미온 퀠티플렛과 스칼라 세븐튜플릿이 상호작용하는 것으로 중성미온 질량이 유도되는 삼중 루프 방사 중성미온 질량 모형(RνMDM)을 제안한다. 이 모형은 주어진 장의 구조와 SM 게이지 대칭 구조로부터 유도되는 임의의 Z₂ 대칭을 통해 메이저라나 페르미온 퀄티플렛을 안정화시켜 어둠의 물질 후보로 삼으며, LHC는 450 GeV 이하 질량의 어둠의 물질 입자를 몰로젯 탐색을 통해 발견할 수 있다.

ABSTRACT

We propose a model in which the radiative neutrino (Rν) masses are induced by fermion quintuplet and scalar septuplet fields from the minimal-dark-matter (MDM) setup. In conjunction with the 2HDM fields, on top of which our model is built, these hypercharge zero fields and additional scalar quintuplet lead to an accidental DM-protecting Z_2 symmetry and establish the R uMDM model at the three-loop level. We assess the potential for discovery of quintuplet fermions on present and future pp colliders.

연구 동기 및 목표

• 중성미온 질량의 작음을 자연스럽게 설명할 수 있는 삼중 루프 수준의 방사 중성미온 질량 모형을 구축하는 것.
• 의도적으로 추가된 Z₂ 대칭을 도입하지 않고도 어둠의 물질 후보를 안정화시키기 위해, 장의 구성과 SM 게이지 대칭 구조로부터 기인하는 임의의 Z₂ 대칭에 의존하는 것.
• 최소 어둠의 물질(MDM) 프레임워크를 확장하여, 더 높은 약한 다중체(페르미온 퀄티플렛과 스칼라 세븐튜플릿)를 포함시켜 삼중 루프 중성미온 질량 생성을 달성하는 것.
• LHC에서 이국적인 퀄티플렛 상태의 현상학적 타당성과 발견 가능성, 특히 몰로젯 서명을 통한 탐색 가능성을 평가하는 것.
• 이전 모형에서의 Z₂ 대칭 위반 문제를 해결하기 위해 더 높은 다중체로 더 가벼운 필드를 대체함으로써 고차원 연산자를 통해 대칭을 유지하는 것.

제안 방법

• 중성미온 질량 생성의 핵심 메커니즘으로 Aoki, Kanemura, 및 Seto가 제안한 삼중 루프 구조(AKS)를 채택한다.
• 주요 신규 장으로서 페르미온 퀄티플렛 Σ∼(5,0)과 스칼라 세븐튜플릿 χ∼(7,0)을 도입하며, 모두 SM 게이지 군에 대해 0의 하이퍼초를 갖는다.
• 필요한 요쿠카 상호작용과 삼중 루프에서의 중성미온 질량 다이어그램을 생성하기 위해 이중 힉스 두중체 모형(2HDM) 섹터를 활용한다.
• 모든 관련 상호작용이 Z₂-짝수임을 보장하기 위해 이국적 장에 적절한 양자수를 할당함으로써 Z₂ 대칭이 유지되도록 한다. 이는 어둠의 물질 붕괴를 방지한다.
• 고차원 스케일 Λ에 의해 억제되는 (H₁H₂*)³χ/Λ³와 같은 디멘전 7 연산자를 포함한 효과적 라그랑지안을 구성한다. 이는 두중체-세븐튜플릿 혼합을 매개한다.
• 주로 메이저라나 퀄티플렛 어둠의 물질 후보의 생성과 붕괴에 초점을 맞춘 몰로젯 탐색 전략을 사용하여 LHC 현상학을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 더 높은 다중체(페르미온 퀄티플렛과 스칼라 세븐튜플릿)를 사용하여 의도적으로 추가된 Z₂ 대칭이 필요 없는 삼중 루프 방사 중성미온 질량 모형을 구축할 수 있는가?
• RQ2 더 가벼운 스칼라 다중체 대신 스칼라 세븐튜플릿을 사용할 경우, 어둠의 물질 후보의 안정성과 Z₂ 대칭의 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 LHC에서 이국적 페르미온 퀄티플렛과 스칼라 세븐튜플릿 상태를 탐지하기 위한 주요 서명은 무엇이며, 특히 몰로젯 및 힉스 붕괴 채널에서 어떤가?
• RQ4 이 모형에서 어둠의 물질 후보는 고광도 LHC에서 어느 정도까지 발견 가능하며, 어떤 질량 범위가 접근 가능한가?
• RQ5 대칭 보호와 현상학적 검증 가능성 측면에서 이전의 삼중 루프 중성미온 질량 모형과 비교해 볼 때 이 모형은 어떠한가?

주요 결과

• 모형은 AKS 구조를 기반으로 한 삼중 루프 방사 중성미온 질량 메커니즘을 실현하며, 주요 매개체로 페르미온 퀄티플렛 Σ∼(5,0)과 스칼라 세븐튜플릿 χ∼(7,0)을 사용한다.
• 어둠의 물질 후보를 보호하는 Z₂ 대칭은 SM 게이지 대칭 구조와 고차 다중체의 양자수로부터 유도되는 임의의 대칭으로, 의도적으로 추가된 대칭이 필요 없다.
• 세븐튜플릿 장의 사용으로 인해 이전 모형에서 존재했던 위험한 Z₂ 위반 항목을 피할 수 있으며, Φ와 H를 포함한 모든 관련 4차 상호작용이 세븐튜플릿의 영향으로 Z₂-짝수가 되도록 보장된다.
• 메이저라나 페르미온 퀄티플렛은 유일한 어둠의 물질 후보로서 안정해져 있으며, 스칼라 세븐튜플릿의 중성 성분은 필수적 상호작용으로 인해 불안정해진다.
• 질량이 450 GeV 이하인 어둠의 물질 후보는 고광도 LHC에서 몰로젯 탐색 전략을 통해 발견 가능하며, 신호는 SM 배경과 구별 가능할 수 있다.
• 모형은 우주론적으로 타당한 어둠의 물질 후보를 제공하며, 루프 억제를 통해 중성미온 질량이 매우 작다는 자연스러운 설명을 제시한다. 이는 중성미온 질량과 전자약력 스케일 사이의 12개의 자리수 차이와도 일치한다.