[논문 리뷰] Seesaw Mechanism Confronting PAMELA in S_4 Flavor Symmetric Extra U(1) Model

Yasuhiro Daikoku, Hiroshi Okada외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 24.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 7인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 $S_4$ 대칭성을 가진 $E_6$-유도 $U(1)$ 모형에서 가장 가벼운 플라보닉의 붕괴로 인해 발생하는 펄라 마우스 입자 빛의 초과 현상이 PAMELA에서 관측된 간섭 입자 빛의 초과 현상과 관련이 있다고 제안한다. 여기서 플라보닉은 열적 평형을 이루지 않는 어두운 물질 성분의 일부이다. 재가열 과정을 통한 비열적 생성은 재가열 온도를 세우스 스케일과 연결하며, 이로 인해 오른쪽 뉴트리노 질량이 $\mathcal{O}(10^{12}\ \text{GeV})$ 수준이 되어 천체물리학적 제약 조건과 뉴트리노 질량 생성 기제와 일치한다.

ABSTRACT

We study cosmic-ray anomaly observed by PAMELA based on E_6 inspired extra U(1) model with S_4 flavor symmetry. In our model, the lightest flavon has very long lifetime of O(10^18) second which is longer than the age of the universe, but not long enough to explain the PAMELA result O(10^26) sec. Such a situation could be avoidable by considering that the flavon is not the dominant component of dark matters. However non-thermalizing the flavon is needed to obtain proper relic density. This relates reheating temperature of the universe with seesaw mass scale. If we assume this flavon is a particle decaying into positron (or electron), the seesaw mass scale is constrained by reheating temperature. Thus we find an interesting result that the allowed region is around O(10^12) GeV, which is consistent with our original result.

연구 동기 및 목표

• 플라버 심미터를 가진 $S_4$ 대칭성을 가진 $E_6$-유도 모형에서 어두운 물질 붕괴를 통해 PAMELA의 간섭 입자 빛 초과 현상을 설명하는 것.
• 비열적 플라보닉 생성을 통해 초기 우주의 재가열 온도를 세우스 질량 스케일과 연결하는 것.
• PAMELA 데이터와 잔류 밀도 고려 사항을 통해 플라보닉 장의 진공 기대값을 제약 조건에 둔다는 것.
• $S_4$ 플라버 심미터 대칭성을 통해 양성자 붕괴 억제와 $\mu$-항목 생성을 보장하는 것.
• 플라보닉 붕괴에서 발생하는 단색 뉴트리노 복사선 밀도를 $E_\nu = m_\Phi/2$에서 예측하는 것.

제안 방법

• 양성자 붕괴를 억제하고 $\mu$-항목을 생성하기 위해 $S_4$ 플라버 심미터 대칭성을 가진 $E_6$-유도 $\text{SM} \times U(1)_X \times U(1)_Z$ 게이지 군을 채택하는 것.
• 비재규격화 연산자를 사용하여 플라보닉을 표준모형 입자들과 결합함으로써 장수하지만 비균일한 수명을 보장하는 것.
• 플라보닉을 비열적으로 생성된 어두운 물질 성분으로 모형화하고, 재가열 기간 동안 봄졸라 방정정식에 의해 결정되는 잔류 밀도로 제어하는 것.
• 플라보닉 붕괴 너비와 $U(1)_Z$ 게이지 상호작용을 통해 재가열 온도 $T_{\text{RH}}$를 세우스 스케일과 연결하는 것.
• 플라보닉의 $\mathcal{LF}$ 수밀도에 대한 봄졸라 방정정식을 풀어, $T_{\text{RH}}$와 $V$에 대한 함수로서 잔류 밀도 파rameter $\Omega_{\text{LF}}$를 유도하는 것.
• PAMELA($\Gamma^{-1} \sim \mathcal{O}(10^{26})$ 초) 및 확산 감마선 한계를 통해 모형의 매개변수를 제약 조건에 둔다는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비열적 생성을 가정할 때, $S_4$ 대칭성을 가진 추가 $U(1)$ 모형 내 가장 가벼운 플라보닉의 붕괴로 PAMELA의 간섭 입자 빛 초과 현상이 설명될 수 있는가?
• RQ2 비열적 생성을 가정할 경우, PAMELA 데이터와 일치하는 플라보닉 수명을 확보하기 위해 필요한 세우스 스케일은 얼마인가?
• RQ3 초기 우주의 재가열 온도는 이 모형에서 오른쪽 뉴트리노 질량 스케일을 어떻게 제약 조건에 둔다?
• RQ4 잔류 밀도와 붕괴율 제약 조건을 충족시키면서 플라보닉이 보조 어두운 물질 성분이 될 수 있는가?
• RQ5 플라보닉 붕괴에서 발생하는 반양성자 및 뉴트리노 복사선 밀도는 어떤 영향을 미치며, 천체선 관측과 일치하는가?

주요 결과

• 허용 가능한 세우스 질량 스케일은 $\mathcal{O}(10^{12}\ \text{GeV})$로 제약 조건에 둔다. 이는 모형의 원래 예측과 일치한다.
• 재가열 온도는 $V = 10^{12}\ \text{GeV}$일 경우 $(0.7 - 5.8) \times 10^5\ \text{GeV}$의 범위 내에 예측된다.
• 플라보닉의 진공 기대값은 $V \sim 10^{12}\ \text{GeV}$로 제약 조건에 둔다. 이는 양성자 및 이국적 쿼크 붕괴에서의 현상학적 제약 조건과 일치한다.
• 모형은 $E_\nu = m_\Phi/2$에서 단색의 확산 뉴트리노 복사선 밀도를 예측한다. 이는 향후 탐지에 대한 특징적인 서명이다.
• 플라보닉은 수명이 짧기 때문에 주 어두운 물질 성분이 될 수 없다. 반대로, 반양성자 과잉 생성을 방지하기 위해 보조 성분이어야 한다.
• 모형은 힉스 두중항을 $S_4$ 표현형에 할당하여 쿼크와의 플라버 변화 쿠퍼링을 금지함으로써 반양성자 과잉 생성을 피한다.