[논문 리뷰] $U(1)_χ$ and Seesaw Dirac Neutrinos

Ernest Ma|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 8인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 $SO(10)$ 대칭 통합 이론에 $U(1)_\chi$를 추가하여, 중성미오 질량이 무거운 오른쪽 수성 중성미오 질량에 의해 자연스럽게 억제되는 $Z_2$ 대칭 모델을 통해 seesaw 디르악 중성미오를 실현한다. 동시에 경량 딜렙톤 스칼라 매개체를 통해 자가상호작용하는 어두운 물질, 무거운 메이저라 중성미오의 $B$-위반 붕괴를 통한 양성미지 생성, 그리고 페체이-퀴ーン 대칭과 페르미온 색상 8중항을 갖는 스칼라 레이어를 통해 양자 색역학 $CP$ 문제를 해결하는 악시온 어두운 물질을 동시에 실현하며, 기본적으로 $B$와 $L$를 보존한다.

ABSTRACT

In the context of $SO(10) o SU(5) imes U(1)_χ$, it is shown how seesaw Dirac neutrinos may be obtained. In this framework, $U(1)$ lepton number is conserved, with which self-interaction dark matter with a light scalar dilepton mediator may be implemented. In addition, $U(1)$ baryon number may be broken to $(-1)^{3B}$, thereby generating a baryon asymmetry of the Universe. The axionic solution to the strong $CP$ problem may also be incorporated.

연구 동기 및 목표

• 경량 디르악 중성미오 질량이 seesaw 메커니즘을 통해 자연스럽게 생성되는 $SO(10)\to SU(5)\times U(1)_\chi$ 대칭 통합 모델을 구축하는 것.
• 르프톤 수를 보존하고 늦은 시기의 CMB 왜곡을 피하는 경량 스칼라 딜렙톤 매개체를 통해 자가상호작용 어두운 물질를 실현하는 것.
• 메이저라 페르미온의 $B$-위반 붕괴를 통해 양성미지 생성을 실현하는 것. 레프토젠esis와 유사하지만, 메이저라 중성미오 대신 스칼라 디쿼크를 사용한다.
• 페르미온 색상 8중항과 스터브 스칼라를 갖는 페체이-퀴ーン 대칭을 통해 강한 $CP$ 문제의 악시온 해법을 구현하는 것.

제안 방법

• 126^*, 126 표현에 속하는 새로운 페르미온 $N, N^c$와 $144$ 표현에서 온 힉스 두중항을 도입하여 $4\times4$ 중성미오 질량 행렬을 구성한다.
• $B$와 $L$ 보존을 보장하고, 삼중항 항 $\mu\sigma\Phi^\dagger\eta$를 통한 부드러운 위반을 허용함으로써 seesaw 메커니즘을 가능하게 하기 위해 $Z_2$ 이산 대칭을 도입한다.
• $\Phi$, $\eta$, $\sigma$를 포함하는 스칼라 포텐셜을 사용하여 진공을 안정화하고, 필요한 진공 기대값 $v_1, v_2, v_3, u$를 생성한다.
• 스칼라 디쿼크 $h_1, h_2$와 페르미온 $\psi$를 도입하여 $B$-위반 붕괴를 매개하고, 레프토젠esis와 유사한 1-루프 도형을 통해 $CP$ 비대칭을 생성한다.
• 페르미온 색상 8중항 $\Omega$와 스터브 스칼라 $S$를 가정하여 페체이-퀴ーン 대칭을 실현하고, $S$의 동적 위상이 투명한 악시온이 된다.
• 모든 대칭을 라그랑지안 수준에서 유지하고, 부드러운 위반은 삼중항 항만을 통해 수행하여 자연성과 게이지 상수 통합을 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 경량 디르악 중성미오 질량이 $U(1)_\chi$가 $SU(5)$ 스케일 이하에서 존재하는 $SO(10)\to SU(5)\times U(1)_\chi$ 모델에서 자연스럽게 생성될 수 있는가?
• RQ2 레프톤에만 결합하고 천체역학적 제약을 피하는 경량 스칼라 매개체를 통해 자가상호작용 어두운 물질를 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ3 기본적으로 $B$와 $L$를 보존하면서도, 무거운 메이저라 페르미온의 $B$-위반 붕괴를 통해 양성미지 생성이 발생할 수 있는가?
• RQ4 비초과대칭적 맥락에서 페르미온 색상 8중항과 스터브 스칼라를 갖는 악시온 메커니즘으로 강한 $CP$ 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ5 $Z_\chi$ 게이지 보손과 경량 스칼라 매개체의 입자물리 실험 및 어두운 물질 탐색에서의 현상학적 서명은 무엇인가?

주요 결과

• seesaw 디르악 중성미오 질량은 $m_\nu = f_\eta f_\sigma v_3 u / m_N$로 표현되며, 큰 $m_N$ 스케일 덕분에 자연스럽게 작다.
• 경량 스칼라 매개체(딜렙톤)는 뉴트리노에만 결합하고 천체역학적 시간 척도에서 안정하므로 늦은 시기의 CMB 왜곡을 피한다.
• 양성미지 생성을 위한 $CP$ 비대칭은 $\epsilon = -\frac{3}{16\pi} \frac{m_{\psi_1}}{m_{\psi_2}} \frac{\text{Im}[(f_1 f_2^*)^2]}{|f_1|^2}$로 주어지며, $|f_1| \ll 0.02$ 이고 $m_{\psi_2}/m_{\psi_1} = 6$일 경우 타당한 비대칭이 달성된다.
• 양성미지 비대칭은 약 $\epsilon / g_*$ 정도이며, $10^{-10}$ 수준으로 설정하기 위해서는 상대 위상의 크기가 약 1일 때 $|f_2| \sim 10^{-3}$ 가 필요하다.
• 악시온은 스칼라 $S$의 동적 위상으로 발생하며, $S^* \Omega \Omega$ 결합을 통해 질량을 얻고, 투명한 악시온으로서 어두운 물질 기여를 한다.
• 모델은 $h_1 d^c \psi$ 및 $h_1^* \bar{d}^c \psi$를 통해 $B$-위반 붕괴를 실현하며, $\langle\sigma\rangle$를 통한 $h_1$-$h_2$ 혼합을 통해 레프토젠esis와 유사한 방식으로 $CP$ 비대칭을 생성한다.