[논문 리뷰] $U(1)_χ$, Seesaw Dark Matter, and Higgs Decay

Ernest Ma|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 11인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 $U(1)_\chi$ 게이지 확장 내에서 빛의 수준의 세우다 어둠의 물질을 위한 새로운 메커니즘을 제안한다. 여기서 어둠의 물질 페르미온($D_\chi$)은 억제된 유크라 쌍화 상수를 통해 힉스 보손의 희귀한 붕괴를 통해 생성된다. 이 모형은 관측 결과와 일치하는 잔류 밀도를 가지며, 무거운 $Z_\chi$ 게이지 보손으로 인해 직접 및 간접 탐색에서 탐지되지 않는 약한 상호작용을 하는 거대한 입자(FIMP) 어둠의 물질의 프리즈인 생성을 실현한다.

ABSTRACT

It has recently been pointed out that the underlying symmetry of dark matter may well be $U(1)_χ$ (coming from $SO(10) o SU(5) imes U(1)_χ$) with the dark parity of any given particle determined by $(-1)^{Q_χ+2j}$, where $Q_χ$ is its $U(1)_χ$ charge and $j$ its spin angular momentum. Armed with this new insight, previous simple models of dark matter are reinterpreted, and a novel idea is proposed that light seesaw dark matter exists in analogy to light neutrinos and is produced by the rare decay of the standard-model Higgs boson.

연구 동기 및 목표

• SO(10)\to SU(5)\times U(1)_\chi$에서 유도된 $U(1)_\chi$ 대칭 프레임워크 내에서 기존의 어둠의 물질 모형을 재해석하는 것.
• 빛의 세우다 어둠의 물질을 생성하는 새로운 메커니즘을 제안하며, 이는 빛의 중성자 질량 생성 방식과 유사하다.
• 희귀한 유크라 쌍화 상수를 통해 힉스 붕괴를 통해 어둠의 물질이 생성될 수 있음을 보여주며, 이는 프리즈인 생성을 가능하게 한다.
• 무거운 $Z_\chi$ 게이지 보손으로 인해 어둠의 물질이 직접 및 간접 탐색에서 탐지되지 않는다는 것을 보여주는 것.

제안 방법

• 어둠의 물질를 안정화시키기 위해 $Q_\chi$에 의존하는 어둠의 파리티 $(-1)^{Q_\chi + 2j}$를 가진 $U(1)_\chi$ 게이지 대칭을 도입한다.
• $SO(10)$의 $\mathbf{126}$ 표현을 활용하여 $U(1)_\chi$를 테바 스케일에서 깨뜨리고, 무거운 오른쪽 수중성자 $\nu^c$를 생성한다.
• $SU(5)\times U(1)_\chi$ 하에서 $(1,-10)$에 해당하는 어둠의 물질 페르미온 $D_\chi$를 도입하며, 이는 $\zeta$ 스칼라를 통해 $\nu^c$와 결합하여 작은 세우다 질량을 생성한다.
• 복소 스칼라를 두 개의 실수 스칼라로 분리시키는 삼중항 결합 $\zeta^*ss$를 구현하며, 더 가벼운 쪽이 어둠의 물질이 된다.
• 혼합이 스칼라 질량 행렬에 포함된 $H$와 $\zeta_R$를 통해 힉스-어둠의 물질 결합 $f_H$를 유도하며, 이에 따라 $\Gamma_H \propto f_H^2$가 된다.
• 재열 온도가 $m_H$ 이하이면서 $m_{D_\chi}$ 이상인 조건 하에 $H \to D_\chi D_\chi$ 붕괴를 통한 $D_\chi$의 프리즈인 생성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표현식 $(-1)^{Q_\chi + 2j}$를 통해 $U(1)_\chi$ 대칭이 어둠의 물질에 자연스러운 안정화 메커니즘을 제공할 수 있는가?
• RQ2 중성자 질량 생성 방식과 유사한 힉스 붕괴 과정을 통해 빛의 세우다 어둠의 물질을 생성할 수 있는가?
• RQ3 프리즈인을 통해 정확한 잔류 밀도를 달성하기 위해 유크라 쌍화 상수 $f_H$에 대한 현상학적 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 $Z_\chi$ 게이지 보손의 질량이 $D_\chi$의 직접 및 간접 탐색 가능성에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ5 $U(1)_\chi$ 프레임워크가 표준모형과 통합되면서 중성자와 어둠의 물질에 대한 세우다 메커니즘을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 질량 약 5 GeV인 빛의 페르미온 어둠의 물질 후보 $D_\chi$는 억제된 유크라 쌍화 상수 $f_H \sim 5 \times 10^{-12}$를 통해 힉스 붕괴를 통해 생성되며, 이는 프리즈인 생성과 일치한다.
• $Z_\chi$ 게이지 보손의 질량은 $m_{Z_\chi} \sim 10^7$ GeV로 예측되며, 이는 LHC에서 탐지되지 않으며 핵과의 탄성 산란을 억제한다.
• $D_\chi$의 잔류 밀도는 힉스 붕괴를 통한 프리즈인 생성으로 달성되며, $x = m_{D_\chi}/m_H \ll 1$일 때 $f_H \sim 10^{-12} x^{-1/2}$로 표현되며, 천체물리학적 제약 조건을 만족한다.
• $D_\chi$의 세우다 메커니즘은 중성자와 유사하다: 큰 메이저라 질량을 가진 무거운 $N$ 상태가 $\zeta$와의 결합을 통해 $D_\chi$에 작은 질량을 생성하며, 이에 따라 $m_{D_\chi} \sim \text{GeV}$이고 $m_N \sim 10^{14}$ GeV가 된다.
• $U(1)_\chi$ 깨짐 스케일 $u \sim 10^7$ GeV는 중간 세우다 스케일과 일치하며, $T \sim 5.2$ TeV 이하에서 $D_\chi$는 열역학계에서 분리된다.
• 통합 스케일을 $10^{16}$ GeV 이상으로 밀어내어 양성자 붕괴 제약 조건을 피하고, 중간 스케일에서 새로운 입자를 추가함으로써 $SU(5)\times U(1)_\chi$ 통합이 가능하다.