[논문 리뷰] The KSVZ Axion and Pseudo-Nambu-Goldstone Boson Models for the XENON1T Excess

Tianjun Li|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 02.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 XENON1T 전자 반발 초과 현상을 설명하기 위해 3개의 모델—KSVZ 아키온, DFSZ 유사, 및 $Z_8/U(1)_X$ 허위-남부-골드스톤 보(Boson) 프레임워크—을 제안한다. 이는 2.5 keV의 아키온-유사 입자(AXion-Like Particle, ALP) 어두운 물질 후보를 통해 이루어지며, 벡터형 렙톤을 통해 $g_{ae} \sim 2.5 \times 10^{-14}$의 결합을 생성하고, 비호환성 없는 게이지 대칭 또는 정밀하게 조정된 결합을 통해 $g_{a\gamma}$를 억제한다. keV 스케일의 PNGB 질량은 고차원 연산자를 통해 자연스럽게 유도된다.

ABSTRACT

The XENON1T excess can be explained by the Axion Like Particle (ALP) dark matter with mass around 2.5 keV. However, there are three problems needed to be solved: suppressing the coupling $g_{aγ}$ between the ALP and photon, and generating the proper coupling $g_{ae}$ between the ALP and electron as well as the correct ALP mass. We propose three models to solve these problems. In our models, the $g_{ae}$ couplings are produced by integrating out the vector-like leptons, and the correct ALP masses arise from high-dimensional operators. In the KSVZ axion model, the coupling $g_{aγ}$ can be suppressed by choosing proper sets of vector-like fermions, but we need some fine-tunings to obtain the ALP mass. Similarly, one can study the DFSZ axion model. In the $Z_8$ and $ U(1)_X$ models with approximate Pseudo-Nambu-Goldstone Bosons (PNGBs), the coupling $g_{aγ}$ is suppressed due to $SU(3)_C imes U(1)_{ m EM}$ anomaly free. In the $Z_8$ model, the PNGB mass can be generated naturally at the keV scale via the dimension-8 operator. To solve the PNGB quality problem in the $ Z_8$ model, we embed it into the model with $ U(1)_X$ gauge symmetry.

연구 동기 및 목표

• 2.5 keV의 아키온-유사 입자(AXion-Like Particle, ALP) 어두운 물질 후보를 통해 XENON1T에서 관측된 2–3 keV 수준의 전자 반발 초과 현상을 설명한다.
• 필요한 전자 결합 $g_{ae} \sim 2.5 \times 10^{-14}$를 생성하면서도 $g_{a\gamma}$ 결합을 억제한다.
• 정밀 조정이 필요 없이 고차원 연산자를 통해 keV 스케일의 ALP 질량을 자연스럽게 생성한다.
• $Z_8$ 대칭 모델에서의 PNGB 품질 문제를 $U(1)_X$ 게이지 확장으로 해결한다.

제안 방법

• 높은 질량의 페르미온을 통합하여 제거함으로써, $g_{ae}$ 결합을 생성하기 위해 벡터형 렙톤을 도입한다.
• SU(3)_C \times U(1)_{\rm EM} 비호환성 없는 $U(1)_X$ 게이지 대칭을 구현하여, PNGB 모델에서 $g_{a\gamma}$를 자연스럽게 억제한다.
• $Z_8$ 모델에서 keV 스케일의 PNGB 질량을 생성하기 위해 $S^8 T^2$를 포함한 고차원 연산자를 사용한다.
• $y^{XE}_{ik}$ 요크다 결합을 억제하기 위해 $Z_2$ 대칭 또는 5차원 브레인/브레인 구조를 도입하여, 원치 않는 $g_{a\gamma}$ 기여를 방지한다.
• $T$의 스트링 스케일의 기대값을 통해 $U(1)_X$를 $Z_8$로 대칭 깨뜨리며, $\frac{y}{M^6_{\rm Pl}}\langle T\rangle^2 > \frac{1}{M^5_{\rm Pl}}|y'\langle T\rangle|$ 조건을 통해 포텐셜을 안정화시킨다.
• $Z_8$ 모델을 $U(1)_X$ 프레임워크에 통합하여 PNGB 품질 문제를 해결하고, $g_{a\gamma}$ 억제를 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2.5 keV의 ALP 어두운 물질 후보와 $g_{ae} \sim 2.5 \times 10^{-14}$, 그리고 억제된 $g_{a\gamma}$를 가진다면 XENON1T 초과 현상은 설명될 수 있는가?
• RQ2 정밀 조정 없이 $g_{ae}$를 생성하면서도 $g_{a\gamma}$는 관측 가능한 한계 이하로 유지될 수 있는가?
• RQ3 비호환성 없는 모델에서 고차원 연산자를 통해 keV 스케일의 PNGB 질량이 자연스럽게 유도될 수 있는가?
• RQ4 $Z_8$ 대칭 모델에서 PNGB 품질 문제를 어떻게 해결할 수 있는가?
• RQ5 $U(1)_X$ 기반 모델에서 $SU(3)_C \times U(1)_{\rm EM}$ 비호환성 자유성에 의해 $g_{a\gamma}$를 억제할 수 있는가?

주요 결과

• XENON1T 초과 현상은 $g_{ae} = 2.5 \times 10^{-14}$를 가진 2.5 keV ALP 어두운 물질 후보로 설명 가능하며, 항성 냉각 제약 조건과 일치한다.
• KSVZ 모델에서 $g_{a\gamma}$ 억제는 벡터형 페르미온 선택에 의해 달성되지만, ALP 질량은 정밀 조정이 필요하다.
• $Z_8$ 모델에서 PNGB 질량은 고차원 연산자 $\frac{y}{M^6_{\rm Pl}}|T^2||S|^8$를 통해 자연스럽게 keV 스케일로 생성되며, 이로 인해 $m_a \sim 2.5$ keV가 된다.
• $U(1)_X$ 확장된 $Z_8$ 모델은 $Z_2$ 대칭 또는 5차원 브레인 국소화를 통해 유해한 결합을 금지함으로써 PNGB 품질 문제를 해결한다.
• $g_{a\gamma}$ 결합은 $C_{a\gamma} \lesssim 2.9 \times 10^{-3} \left(\frac{f_a}{2 \times 10^{10}~{\rm GeV}}\right)$ 수준으로 억제되어, 우주 엑스선 배경 제약 조건을 충족한다.
• 모델들은 벡터형 렙톤을 포함한 요크다 결합을 통해 $g_{ae} \sim 2.5 \times 10^{-14}$를 달성하며, 이때 $f_a \sim 2 \times 10^{10}$ GeV이다.