[논문 리뷰] Singlet-Doublet Fermion Origin of Dark Matter, Neutrino Mass and W-Mass Anomaly

Debasish Borah, Satyabrata Mahapatra외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 15인용 수 44

한 줄 요약

이 논문은 동시에 CDF W 보손 질량 비정상현상, 자동적인 중성미온 질량 생성, 타당한 암흑물질 현상학을 설명하는 이중세대 싱게트-더블렛 메이조라나 페르미온 모형을 제안한다. 더 무거운 페르미온 세대가 고리 다이어그램을 통해 W 보손 질량을 보정하는 반면, 더 가벼운 세대가 암흑물질로 기능하며, 추가로 Z2-홀드 스칼라가 한 번의 고리 수준에서 중성미온 질량 생성을 가능하게 한다. 이는 잔류 밀도 및 직접 탐지 제약 조건과 일치한다.

ABSTRACT

Motivated by the recently reported anomaly in W boson mass by the CDF collaboration with $7\sigma$ statistical significance, we consider a singlet-doublet (SD) Majorana fermion dark matter (DM) model where the required correction to W boson mass arises from radiative corrections induced by SD fermions. While a single generation of SD fermions, odd under an unbroken $Z_2$ symmetry, can not explain the W boson mass anomaly while being consistent with DM phenomenology, two generations of SD fermions can do so with the heavier generation playing the dominant role in W-mass correction and lighter generation playing the role in DM phenomenology. Additionally, such multiple generations of SD fermions can also generate light neutrino masses radiatively if a $Z_2$-odd singlet scalar is included.

연구 동기 및 목표

• 표준모형의 블랙스페이스(BSM) 확장으로 7σ CDF W 보손 질량 비정상현상을 설명하기 위해.
• 한 번의 고리 메커니즘을 통해 비영인 가벼운 중성미온 질량을 동시에 설명하기 위해.
• 잔류 밀도 및 직접 탐지 제약 조건과 일치하는 타당한 암흑물질 후보를 실현하기 위해.
• 추가로 Z2-홀드 스칼라를 가진 이중세대 싱게트-더블렛 메이조라나 페르미온 모형의 타당성을 탐색하기 위해.
• 통합된 프레임워크를 통해 W 보손 질량 비정상현상과 암흑물질 현상학을 조율하기 위해.

제안 방법

• Z2 대칭이 유지되는 이중세대 싱게트-더블렛 메이조라나 페르미온 모형을 도입한다.
• 암흑세계 입자들이 고리에 포함된 Z2-홀드 단일 스칼라를 포함하여 한 번의 고리 수준에서 중성미온 질량 생성을 가능하게 한다.
• 더 무거운 페르미온 세대의 반사수정을 통해 W 보손 질량 비정상현상을 설명한다.
• micrOMEGAs를 사용하여 암흑물질 파rameter 공간을 제약하기 위해 수치적 잔류 밀도 계산을 수행한다.
• XENON1T 직접 탐지 및 LEP의 전하를 띤 페르미온 질량 제약 조건을 적용한다.
• 각 세대에 대해 3×3 질량 행렬을 대각화하여 물리적 메이조라나 상태와 그 질량을 구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중세대 싱게트-더블렛 메이조라나 페르미온 모형은 암흑물질 현상학과 일치하면서도 CDF W 보손 질량 비정상현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 Z2-홀드 스칼라의 포함을 통해 이 모형이 한 번의 고리 수준에서 비영인 가벼운 중성미온 질량을 생성할 수 있는가?
• RQ3 왜 단일 세대에서는 W 질량 비정상현상과 암흑물질 제약 조건을 동시에 설명할 수 없는가?
• RQ4 서로 다른 질량 간격에서 공반화와 힉스 매개 반응이 잔류 밀도에 미치는 상대 기여는 어떻게 되는가?
• RQ5 모델의 매개변수 공간에서 W 질량 보정, 중성미온 질량 생성, 암흑물질 제약 조건 간의 상호작용은 어떠한가?

주요 결과

• 싱게트-더블렛 페르미온의 단일 세대에서는 암흑물질이 디랙이든 메이조라나이든 간에, W 보손 질량 비정상현상을 설명하면서도 암흑물질 제약 조건을 동시에 만족할 수 없다.
• 이중세대에서는 더 무거운 페르미온 세대가 W 질량 보정을 주로 담당하고, 더 가벼운 세대가 타당한 메이조라나 암흑물질 후보로 남아있다.
• Z2-홀드 단일 스칼라의 포함은 암흑세계 입자들이 고리에 포함된 한 번의 고리 수준에서 중성미온 질량 생성을 가능하게 한다.
• 정확한 잔류 밀도 및 XENON1T 직접 탐지 제약 조건을 만족하는 매개변수 공간은 특히 저질량 영역에서 상당히 제약을 받는다.
• 큰 질량 차이(∆M ≥ 50 GeV)에서는 힉스 매개 반응이 잔류 밀도를 주로 결정하지만, 작은 질량 차이에서는 공반화가 지배한다.
• 이 모형은 최소적이고 재규격화 가능한 프레임워크 내에서 CDF W 보손 질량 비정상현상(80433.5 ± 9.4 MeV)을 암흑물질 및 중성미온 질량 생성과 성공적으로 조율한다.