[논문 리뷰] U-boson production in e+e- annihilations, psi and Upsilon decays, and Light Dark Matter

P. Fayet|arXiv (Cornell University)|2007. 02. 17.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 초대칭 또는 확장된 표준모형 시나리오에서 유도되는 경량의 약한 결합 U-보손이 경량 암흑물질(LDM)의 매개체로 작용하고 은하 중심선의 511 keV 신호의 잠재적 원인일 수 있음을 조사한다. $ψ$, $Υ$, 및 $g_\mu-2$에서의 엄격한 제약 조건은 $m_U < m_\mu$ 인 경우 전자의 U-보손 벡터 결합을 $\lesssim 1.3 \times 10^{-3}$로 제한하며, 축성 결합은 $\lesssim 3 \times 10^{-6} \, m_U$ (MeV)로 제한되어, $e^+e^-$ 충돌에서의 직접 탐지가 매우 곤란하다.

ABSTRACT

We recall how a new light gauge boson emerged in Supersymmetric extensions of the Standard Model with an extra singlet superfield, and how it could behave very much as a light pseudoscalar, with the corresponding symmetry broken at a scale higher than electroweak. Such a new gauge boson U, light and very weakly coupled, allows for Light Dark Matter particles, which could be at the origin of the 511 keV line from the galactic bulge. Could it be found directly in e+e- annihilations ? Not so easily, due to various constraints on its couplings, especially axial ones, leading to an axionlike behavior or extra parity-violation effects. Searches for the decay Upsilon -&gt; gamma + invisible U may be used to constrain severely its axial coupling to the electron, f_eA = f_bA, to be less than about 10^-6 m_U(MeV). The vector coupling to the electron may in principle be larger. We find from g_mu-2, under reasonable assumptions, that this coupling can be at most as large as ~ 1.3 10^-3, for m_U &lt; m_mu. Such a coupling of the order of 10^-3 could also be responsible for the somewhat large value of g_mu-2, compared to Standard Model expectations. The U couplings to electrons are otherwise likely to be smaller, e.g. \lsim 3 10^-6 m_U(MeV), if the couplings to neutrinos and electrons are similar. This restricts significantly the possibility of detecting a light U boson in e+e- -&gt; gamma U. Despite that, U exchanges can provide annihilation cross sections of LDM particles of the appropriate size, even if this may require that light dark matter be relatively strongly self-interacting.

연구 동기 및 목표

• 경량 U-보손이 $e^+e^- \to \gamma U$ 과정에 의해 $e^+e^-$ 충돌에서 탐지 가능한지의 가능성을 평가하는 것.
• $\psi$, $\Upsilon$, 및 $g_\mu-2$ 측정치로부터 유도된 제약 조건을 고려할 때, U-보손의 전자 및 중성자에 대한 허용 가능한 파arameter 공간을 결정하는 것.
• U-보손이 은하 중심에서 관측된 511 keV 선과 일치하는 크기의 경량 암흑물질 입자 간의 결합 단면적을 매개할 수 있는지 평가하는 것.
• Z--U 혼합과 축성 결합이 U-보손에 대한 현상학적 제약 조건을 어떻게 형성하는지 탐색하는 것.
• U-보손이 이론적으로 비정상적인 $g_\mu-2$ 값을 설명하면서도 모든 기존 실험 제약 조건을 만족시킬 수 있는지 여부를 규명하는 것.

제안 방법

• fermion에 대한 결합을 모델링하기 위해 효과적 라그랑지안 기법을 사용하여 $e^+e^-$ 결합에서 U-보손 생성을 분석한다.
• $\psi \to \gamma U$ 및 $\Upsilon \to \gamma U$ 붕괴에서 유도된 제약 조건을 적용하여 전자에 대한 축성 결합을 제한하며, $f_{eA} \lesssim 10^{-6} \, m_U$ (MeV)를 도출한다.
• $g_\mu-2$ 측정치를 사용하여 벡터 결합을 제약하며, 렙톤 대칭성과 상쇄 효과가 없음을 가정할 경우 $m_U < m_\mu$ 인 경우 상한값 $f_{lV} \lesssim 1.3 \times 10^{-3}$을 유도한다.
• Z--U 혼합이 U-보손 결합에 미치는 영향, 특히 중성자에 대한 축성 결합이 억제된 경우 전자에 대한 벡터 결합에 미치는 영향을 평가한다.
• 퍼티튜브 결합 조건 하에서 511 keV 선과 일치하는 크기의 단면적을 가지기 위해 U-보손이 경량 암흑물질의 $e^+e^-$로의 붕괴를 매개할 수 있는지 평가한다.
• $g_e-2$, $g_\mu-2$, 및 Z--U 혼합에서 유도된 제약 조건을 비교하여 $f_e^2 \lesssim 10^{-6}$의 보수적인 상한값을 도출하며, 이는 $f_e^2/(4\pi) \lesssim 10^{-7}$를 의미한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 실험 제약 조건을 고려할 때, $e^+e^- \to \gamma U$ 과정을 통해 경량 U-보손이 $e^+e^-$ 충돌에서 생성되고 탐지될 수 있는가?
• RQ2 $\psi$, $\Upsilon$, 및 $g_\mu-2$ 데이터와 일치하는 U-보손의 전자 및 중성자에 대한 최대 허용 결합 상수는 무엇인가?
• RQ3 U-보손이 관측된 511 keV 선 강도와 일치하는 크기의 경량 암흑물질 입자 간의 붕괴 단면적을 매개할 수 있는가?
• RQ4 Z--U 혼합 효과는 U-보손의 충전 렙톤에 대한 허용 가능한 벡터 결합 강도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 U-보손이 이론적으로 비정상적인 $g_\mu-2$ 값을 설명하면서도 모든 다른 현상학적 제약 조건을 동시에 만족시킬 수 있는가?

주요 결과

• U-보손의 전자에 대한 축성 결합은 $f_{eA} \lesssim 10^{-6} \, m_U$ (MeV)로 제약되며, 이는 $g_e-2$에서 允허되는 $\sim 5 \times 10^{-5} \, m_U$보다 50배 작다.
• U-보손의 전자에 대한 벡터 결합은 $m_U < m_\mu$ 인 경우 $g_\mu-2$ 제약 조건에 기반하여 $f_{lV} \lesssim 1.3 \times 10^{-3}$로 제한된다. 렙톤 대칭성과 상쇄 효과가 없음을 가정할 경우.
• 결합 강도 $f_e^2 \lesssim 10^{-6}$, 또는 $f_e^2/(4\pi) \lesssim 10^{-7}$는 $e^+e^-$ 콘덴서에서 U-보손 생성의 직접 탐지가 매우 곤란하다는 것을 의미한다.
• U-보손이 전자와 중성자에 대해 유사하게 결합하는 경우, 결합은 $|f_e| \lesssim 3 \times 10^{-6} \, m_U$ (MeV)로 더 엄격하게 제약되며, 이는 $g_e-2$ 제약보다 더 엄격하다.
• 벡터형 U-보손의 충전 렙톤에 대한 결합 강도가 약 $10^{-3}$ 수준이면, $m_U < m_\mu$ 이면 $g_\mu-2$의 비정상적인 값을 설명하면서도 $g_e-2$를 과도하게 제약하지 않으며 가능하다.
• U-보손은 511 keV 선에 적합한 크기의 LDM 붕괴 단면적을 매개할 수 있지만, 이는 암흑물질이 상대적으로 강하게 상호작용하거나 U-보손이 LDM에 대해 큰 결합을 가져야 가능하다.