[논문 리뷰] Phenomenology of Majorons

Julian Heeck|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 MeV 이상의 에너지에서 검출 가능한 단일 에너지 중성자 붕괴를 보이는 거대한 싱게트론 메이저론을 암흑물질 후보로 제안한다. 이는 렙톤-플레버 위반 쿠플링과 고리에 의한 광자 쿠플링을 통해 이루어지며, 핵심 기여는 중성자기울기 측정만으로는 접근 불가능한 seesaw 매개변수 $ m_D m_D^\tau $ 에 직접적으로 메이저론 현상학을 연결한 것이다.

ABSTRACT

Majorons are the Goldstone bosons associated to lepton number and thus closely connected to Majorana neutrino masses. Couplings to charged fermions arise at one-loop level, including lepton-flavor-violating ones that lead to decays $\ell o \ell' J$, whereas a coupling to photons is generated at two loops. The typically small couplings make massive majorons a prime candidate for long-lived dark matter. Its signature decay into two mono-energetic neutrinos is potentially detectable for majoron masses above MeV.

연구 동기 및 목표

• 단일 에너지 중성자 붕괴를 갖는 거대한 싱게트론 메이저론이 암흑물질 후보로써 검출 가능한 붕괴 서명을 갖는 현상학을 탐색한다.
• 메이저론 쿠플링을 중성자기울기 매개변수 $ m_D m_D^\tau $ 와 연결한다. 이는 중성자기울기 측정만으로는 측정 불가능하다.
• 레프톤 플레버 위반을 $ \ell \to \ell' J $ 붕괴에서 탐지하여 seesaw 메커니즘을 탐색한다.
• Borexino 및 Super-K와 같은 중성자 탐지기로 메이저론이 단일 에너지 중성자로 붕괴하는 것을 검출 가능성을 평가한다.
• 보이는 붕괴 채널과 중성자선 탐색의 상호보완성을 평가한다.

제안 방법

• 복소 스칼라 싱게트론을 포함한 $ U(1)_{B-L} $ 대칭 깨짐을 고려한 seesaw 모형에서 수준별 및 한 개의 고리 메이저론 쿠플링을 유도한다.
• 일차 고리 쿠플링을 기술하기 위해 차원이 없는 행렬 $ K \equiv m_D m_D^\dagger / (v f) $ 를 사용한다.
• 게이지 불변 부분 집합의 도형과 고리 함수를 사용하여 이중 고리 광자 쿠플링 $ \Gamma(J \to \gamma\gamma) $ 를 계산한다.
• 초기 우주에서 MeV 이상의 질량을 갖는 메이저론 암흑물질의 프리즈인 생성 메커니즘을 적용한다.
• Borexino 및 KamLAND의 역바이타이드 붕괴를 이용해 $ J \to \nu_j \nu_j $ 붕괴의 검출 가능성을 평가한다. 또한 Super-K에서 $ \nu_\mu $ 탐지를 고려한다.
• Mu3e 및 Belle와 같은 현재 및 향후 실험을 활용하여 렙톤 플레버 위반 붕괴 $ \ell \to \ell' J $ 에 의한 제약 조건을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 거대한 싱게트론 메이저론은 단일 에너지 중성자로 붕괴되는 검출 가능한 장수 암흑물질 후보로 기능할 수 있는가?
• RQ2 메이저론이 렙톤에 대한 쿠플링은 seesaw 매개변수 $ m_D m_D^\dagger $ 와 어떻게 관련되어 있으며, 이는 중성자 질량과 독립적으로 측정 가능한가?
• RQ3 $ \ell \to \ell' J $ 붕괴에서의 렙톤 플레버 위반에 의한 $ K_{\ell\ell'} $ 의 제약 조건은 무엇이며, 기존 및 향후 실험 제약과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 중성자 탐지기들이 메이저론 붕괴에서 유도된 단일 에너지 중성자선을 관측할 수 있는가? 메이저론 질량의 감도 임계값은 무엇인가?
• RQ5 보이는 붕괴 채널 $ J \to \ell\bar{\ell}, q\bar{q}, \gamma\gamma $ 는 $ J \to \nu\nu $ 와 함께 seesaw 매개변수를 탐색하는 데 상호보완적인가?

주요 결과

• 일차 고리 수준에서 메이저론이 렙톤에 대한 쿠플링은 모두 seesaw 매개변수 행렬 $ K = m_D m_D^\dagger / (v f) $ 에 의해 결정되며, 이는 중성자 질량과 독립적이다.
• $ \ell \to \ell' J $ 붕괴에서의 렙톤 플레버 위반은 비대칭 성분 $ K_{\ell\ell'} $ 를 통해 유도되며, 현재의 제약 조건은 $ |K_{\mu e}| \lesssim 10^{-5} $ 과 $ |K_{\tau\ell}| \lesssim \mathcal{O}(10^{-3}) $ 이다.
• $ J \to \nu_j \nu_j $ 붕괴는 수준별 주요 채널이며, 단일 에너지 중성자 플럭스를 생성한다. 이 중성자의 성분은 중성자 질량 계단에 따라 달라지며, 역계단의 경우 약 50%의 전자 성분을 가지며, 정계단의 경우 전자 성분이 작다.
• Borexino 및 KamLAND와 같은 중성자 탐지기는 MeV 이상의 메이저론 질량에서 $ J \to \nu\nu $ 붕괴를 탐지할 수 있으며, 암흑물질에 기인한 중성자선 신호에 민감하다.
• $ m_J \sim \text{MeV} $ 에서 $ 100\,\text{GeV} $ 까지의 질량 범위에서, $ J \to \gamma\gamma $ 와 $ J \to \ell\bar{\ell} $ 와 같은 보이는 붕괴 채널은 $ J \to \nu\nu $ 와 독립적으로 $ K $ 를 제약하는 데 상호보완적인 역할을 한다.
• MeV 이하의 메이저론 질량에서는 $ J \to \nu\nu $ 가 비가시적이므로, $ J \to \gamma\gamma $ 는 여전히 가장 유망한 간접 탐지 채널로 남아 있다.