[논문 리뷰] $Z^\prime$ portal dark matter in the minimal $B-L$ model

Satomi Okada|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 19.

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한 줄 요약

이 논문은 최소 $B-L$ 모델에서 $Z_{B-L}^\prime$ 게이지 보손이 표준모형과 $Z_2$-홀드 오른쪽 뉴트리노 간의 상호작용을 매개함으로써 $Z^\prime$ 포털 암흑물질 시나리오를 제안한다. 이 뉴트리노는 마요라나 암흑물질 후보로 기능한다. 천체물리적 제약(잔류 밀도)과 LHC 런-2의 입자충돌 실험 제약를 종합함으로써, $Z_{B-L}^\prime$ 보손 질량에 대해 $m_{Z^\prime} \geq 3.9$ TeV의 하한선을 도출하여 타당한 매개변수 공간을 좁혔다.

ABSTRACT

In this review article, we consider a dark matter scenario in the context of the minimal extension of the Standard Model (SM) with a $B-L$ (baryon number minus lepton number) gauge symmetry, where three right-handed neutrinos with a $B-L$ charge $-1$ and a $B-L$ Higgs field with a $B-L$ charge $+2$ are introduced to make the model anomaly-free and to break the $B-L$ gauge symmetry, respectively. The $B-L$ gauge symmetry breaking generates the Majorana masses for the right-handed neutrinos. We introduce a Z$_2$ symmetry to the model and assign an odd parity only for one right-handed neutrino, and hence the Z$_2$-odd right-handed neutrino is stable and the unique dark matter candidate in the model. The so-called minimal seesaw works with the other two right-handed neutrinos and reproduces the current neutrino oscillation data. We consider the case that the dark matter particle communicates with the SM particles through the $B-L$ gauge boson ($Z^{\prime}_{B-L}$ boson), and obtain a lower bound on the $B-L$ gauge coupling ($α_{B-L}$) as a function of the $Z^{\prime}_{B-L}$ boson mass ($m_{Z^{\prime}}$) from the observed dark matter relic density. On the other hand, we interpret the recent LHC Run-2 results on the search for a $Z^{\prime}$ boson resonance to an upper bound on $α_{B-L}$ as a function of $m_{Z^{\prime}}$. These two constraints are complementary to narrow down an allowed parameter region for this "$Z^{\prime}$ portal" dark matter scenario, leading to a lower mass bound of $m_{Z^{\prime}} \geq 3.9$ TeV.

연구 동기 및 목표

• 최소 $B-L$ 모델을 $Z_2$ 대칭으로 확장하여 오직 한 개의 오른쪽 뉴트리노만 안정화시켜 마요라나 암흑물질 후보로 삼는다.
• 암흑물질이 $B-L$ 게이지 보손을 통해 표준모형 입자들과 상호작용하는 $Z_{B-L}^\prime$ 포털 메커니즘을 조사한다.
• 천체물리적 잔류 밀도와 LHC 런-2 $Z^\prime$ 공명 탐색 데이터를 이용해 모델 매개변수를 제약한다.
• 천체물리적 제약와 충돌 실험 제약를 동시에 만족시키는 타당한 매개변수 공간을 규명한다.

제안 방법

• 오직 한 개의 오른쪽 뉴트리노만 $Z_2$ 대칭에 의해 홀드 파리티를 지니게 하여 안정화시키고, 이를 암흑물질 후보로 삼는다.
• 중성미소 진동 데이터를 재현하기 위해 두 개의 $Z_2$-짝수 오른쪽 뉴트리노를 포함한 최소한의 시즈메커니즘을 적용한다.
• $B-L$ 힉스 장에 의한 $B-L$ 게이지 대칭의 비대칭 붕괴를 통해 오른쪽 뉴트리노의 마요라나 질량과 $Z_{B-L}^\prime$ 보손 질량을 생성한다.
• $Z_{B-L}^\prime$ 포털 상호작용 라그랑지안을 유도하여, $Z_{B-L}^\prime$ 교환를 통해 암흑물질의 산산이 흩어짐과 붕괴를 가능하게 한다.
• $\alpha_{B-L}$ 와 $m_{Z^\prime}$ 를 함수로 하여 암흑물질의 잔류 밀도를 계산하고, 게이지 결합 상수에 대한 하한선을 도출한다.
• ATLAS 런-2 $Z^\prime$ 공명 탐색 결과를 해석하여, $m_{Z^\prime}$ 를 함수로 하여 $\alpha_{B-L}$ 에 대한 상한선을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 천체물리적 제약과 충돌 실험 제약를 고려할 때, 최소 $B-L$ 모델에서 $Z_{B-L}^\prime$ 포털 암흑물질 시나리오의 허용 가능한 매개변수 공간은 무엇인가?
• RQ2 이 모델에서 $Z_{B-L}^\prime$ 게이지 보손은 암흑물질과 표준모형 입자들 간의 상호작용을 어떻게 매개하는가?
• RQ3 잔류 밀도와 LHC 런-2 데이터를 종합했을 때, $Z_{B-L}^\prime$ 보손 질량에 대해 어떤 하한선이 도출되는가?
• RQ4 왜 이 모델에서 암흑물질 후보의 직접 탐지가 억제되는가?
• RQ5 이 모델은 중성미소 질량, 암흑물질, 그리고 LHC에서의 검증을 동시에 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 천체물리적 잔류 밀도 제약은 $m_{Z^\prime}$ 를 함수로 하는 $B-L$ 게이지 결합 상수 $\alpha_{B-L}$ 에 대한 하한선을 도출하며, 더 무거운 $Z_{B-L}^\prime$ 보손일수록 더 큰 $\alpha_{B-L}$ 가 필요하다.
• LHC 런-2 ATLAS 탐색 결과는 $m_{Z^\prime}$ 를 함수로 하는 $\alpha_{B-L}$ 에 대한 상한선을 제시하며, 천체물리적 제약와 상호보완적이다.
• 잔류 밀도와 LHC 데이터의 병합 제약는 $m_{Z^\prime} \geq 3.9$ TeV 이하의 모든 매개변수 공간을 배제한다.
• 오른쪽 뉴트리노 암흑물질 후보는 비상대론적 근사에서 탄성 산산이 흩어짐 진폭이 0이 되기 때문에 직접 탐지에서 회피된다. 이는 $Z_{B-L}^\prime$ 와의 축성벡터 결합 때문이며.
• 암흑물질 쌍붕괴를 통한 간접 탐지 효과는 마요라나 특성에 기인한 속도 억제로 인해 무시할 만큼 작다.
• 모델은 $m_{Z^\prime} \geq 3.9$ TeV 범위에서 타당하며, $\sim 120~\text{fb}^{-1}$ 루미노시티에서 LHC에서 $Z_{B-L}^\prime$ 신호를 관측할 수 있을 것으로 예상된다.