[논문 리뷰] Two loop Induced Dirac Neutrino Model and Dark Matters with Global $U(1)'$ Symmetry

Hiroshi Okada|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 테브 스케일에서 전역 U(1)' 대칭을 가진 두 루프 방사형 디락 중성자 모형을 제안하며, 자연스럽게 세 개의 암흑 물질 후보자(디락 페르미온과 두 개의 스칼라 보손)를 포함한다. 이 모형은 관측된 암흑 물질 잔여 밀도와 LUX 및 Planck/WMAP의 제약 조건을 성공적으로 설명할 뿐 아니라, 전역 U(1)' 대칭의 자발적 대칭 붕괴에서 유도된 골드스토운 보손을 통해 중성자 종류의 효과적인 수의 불일치를 설명할 가능성도 제시한다.

ABSTRACT

We propose a two loop induced Dirac type neutrino model at TeV scale. Subsequently, three types of dark matter particles; fermion and two bosons, are naturally introduced. Here we discuss to analyze two possibilities; two component dark matter scenario (Dirac fermion and complex boson) and single dark matter one (another real boson), comparing to current experimental data such as Planck/WMAP and LUX. We briefly mention the possibility to explain the discrepancy of the effective number of neutrino species reported by several experiments.

연구 동기 및 목표

• 테브 스케일 내에서 자연스럽게 암흑 물질 후보자를 포함하는 방사형 두 루프 디락 중성자 모형을 구축하는 것.
• 전역 U(1)' 대칭과 그 자발적 대칭 붕괴를 통해 암흑 물질를 안정화시키고 잔류 Z2 대칭을 유도하는 것.
• 두 성분(페르미온 + 복소 스칼라)과 단일 성분(실수 스칼라) 암흑 물질 시나리오를 모두 분석하는 것.
• 현재의 천체물리학적 및 직접 탐지 데이터(Planck/WMAP 및 LUX 포함)와의 일치성을 평가하는 것.
• 관측된 중성자 종류의 효과적인 수의 불일치, ΔN_eff ≈ 0.36 ± 0.34를 설명할 가능성 탐색

제안 방법

• 표준모형에 벡터-유사 단일 페르미온(S_L, S_R), 메이저라 페르미온(N_R), 그리고 새로운 스칼라(η, χ₁, χ₂, Σ)를 도입한다.
• 트리 수준 중성자 질량을 금지하고 암흑 물질를 안정화시키기 위해 특정 전하 할당을 가진 전역 U(1)' 대칭을 도입한다.
• 새로운 입자를 포함한 두 루프 도형을 사용하여 루프 보정을 통해 작은 디락 중성자 질량을 생성한다.
• U(1)' 대칭 붕괴 후 잔류 Z2 대칭을 통해 암흑 물질 안정성을 확보하며, 가장 가벼운 기껏된 입자를 암흑 물질 후보로 삼는다.
• 보르츠만 방정식을 사용해 잔여 밀도를 계산하고 Planck/WMAP 데이터와 비교한다.
• 허프스 포털 상호작용을 통해 직접 탐지 단면적을 평가하고 LUX 한계를 이용해 매개변수를 제약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전역 U(1)' 대칭을 가진 두 루프 방사형 디락 중성자 모형이 자연스럽게 테브 스케일에서 다수의 암흑 물질 후보자를 수용할 수 있는가?
• RQ2 두 성분(페르미온 + 스칼라)과 단일 성분(스칼라) 암흑 물질 시나리오 간에 관측된 잔여 밀도와 직접 탐지 제약 조건을 충족하는 데 있어 어떤 차이가 있는가?
• RQ3 U(1)' 대칭 붕괴에서 유도된 골드스토운 보손을 통해 관측된 중성자 종류의 효과적인 수의 불일치, ΔN_eff ≈ 0.36 ± 0.34를 설명할 수 있는가?
• RQ4 모형이 동시에 잔여 밀도와 직접 탐지 제약 조건을 충족시키는 데 필요한 매개변수 범위는 무엇인가?
• RQ5 요카다 쌍체와 스칼라 포텐셜 매개변수의 값이 암흑 물질 후보자의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 절단 에너지가 GUT 스케일일 때, 효과적인 질량 척도가 약 0.01 eV로 매우 작은 두 루프 메커니즘을 통해 디락 중성자 질량이 성공적으로 생성된다.
• 두 성분 암흑 물질(S와 χ₁)은 조절 가능한 독립적인 쌍체를 통해 관측된 잔여 밀도를 충족하고 LUX 직접 탐지 한계와 일치한다.
• 단일 성분 보존적 암흑 물질 후보(χ₂I)는 타당한 잔여 밀도를 달성하고 직접 탐지 제약 조건을 충족하며, v′ ~ 1 TeV일 경우 4차 상호작용 계수가 약 0.5 수준이 되어야 한다.
• 질량 약 500 MeV, 작은 혼합 각도 α를 가진 힉스 유사 상태(H)는 약 0.39 수준의 ΔN_eff 불일치를 설명할 수 있으며, Planck 및 WMAP 데이터와 일치한다.
• U(1)' 대칭 붕괴에서 유도된 골드스토운 보손은 효과적인 중성자 자유도의 초과를 설명할 수 있으며, m_h, m_H, v, v′, α를 포함한 조건을 만족할 경우 가능하다.
• 직접 탐지 단면적이 힉스 교환의 s-채널 기여와 작은 결합 상수로 인해 억제되어 현재 LUX 한계를 회피할 수 있다.