[논문 리뷰] The $B$ Anomalies, the $U_1$ Leptoquark and Dark Matter

G. Bélanger, Jacky Kumar외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 74인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 벡터 U1 레프토쿼크가 B 이질현상과 스칼라 싱게트 DM 모형(Single DM Model, SSDMM)에서 다크 매터(DM) 상호작용을 동시에 설명하는 통합 모델을 제안한다. U1-DM 결합을 도입함으로써, SS → U1Ū1를 통한 DM 결합 붕괴가 강화되고, 고리에 기반한 SSgg 및 SSγγ 결합이 생성되어 DM 질량과 결합 상수에 대한 제약 조건이 완화된다. 주요 결과는 SSDMM이 더 가벼운 DM(약 ~1.3 TeV까지)에서 유효해지며, 더 무거운 DM에 대해서도 비정규적 결합을 피할 수 있다는 것이다. 향후 간접 탐지 실험을 통해 이 모형을 탐색할 수 있다.

ABSTRACT

The present-day $B$-anomalies involving $b o s \mu^+ \mu^-$ or $b o c au^- {\bar u}$ transitions can all be explained with the addition of a vector $U_1$ leptoquark with a mass of $M_{U_1} \ge 1.8$ TeV. In the scalar singlet dark matter model (SSDMM), the DM is a scalar $S$ that couples to the Higgs via $\lambda_{hS} \, S^2|H|^2$. We update the fit to the data and find that the SSDMM is now viable only for $M_S \ge 1.6$ TeV. In this paper, we assume that the DM also couples to the $U_1$ via $\lambda_{U_1 S} \, S^2 \, U_{1\mu}^{\dagger} U^{\mu}_1$. In addition to leading to DM annihilation via $S S o U_1 {\bar U}_1$, this coupling generates $SSgg$ and $SS\gamma\gamma$ couplings at one loop. Although naively divergent, these loop diagrams can be calculated under the assumption that the $U_1$ is a gauge boson of a group broken at the TeV scale. With this DM-$U_1$ coupling term, there are additional contributions to the various DM observables (relic density, direct and indirect detection). We find that the constraints on the SSDMM are relaxed for both heavy DM ($M_S \ge M_{U_1}$) and light DM ($M_S < M_{U_1}$).

연구 동기 및 목표

• 2021년 판다크로스-4T 직접 탐지 제약 조건을 반영한 최신 데이터를 바탕으로, b → sμ+μ− 및 b → cτ−ν 전이를 포함한 관측된 B 이질현상들을 하나의 새로운 물리 이론 틀 안에서 통합적으로 설명하는 것.
• DM 질량이 약 ~1.6 TeV 이하일 경우 강하게 제약을 받는 스칼라 싱게트 다크 매터 모형(SSDMM)의 갈등을 해결하는 것.
• DM을 U1 레프토쿼크와 결합시킬 경우, 잔여 밀도, 직접 탐지, 간접 탐지에서의 엄격한 제약 조건이 어떻게 완화되는지 탐색하는 것.
• U1를 질량을 가진 게이지 보손으로 간주함으로써, 고리에 기반한 SSgg 및 SSγγ 결합의 발산을 다루고 유한한 진폭을 계산하는 것.

제안 방법

• 좌측 스핀 결합을 통해 중성미류 및 전하를 띤 B 이질현상을 동시에 설명할 수 있도록, 질량이 1.8 TeV 이상인 U1 레프토쿼크를 도입한다.
• U1-DM 상호작용을 매개하는 양자역학적 결합 λU1S S² U₁†μ U₁μ를 추가함으로써 SSDMM을 확장한다.
• TeV 스케일에서 자발적 대칭 붕괴를 겪는 U(1) 대칭을 가진 게이지 이론의 프레임워크를 사용하여, SSgg 및 SSγγ 결합의 1차 고리 기여를 계산한다.
• 표준모형의 힉스 보손 결합(hgg, hγγ)과 유사한 유사성에 기반하여 발산하는 고리 도형을 정규화하고, 유한한 진폭을 계산한다.
• 잔여 밀도, 직접 탐지(핵자 산란을 통한), 간접 탐지(γγ 및 gg 최종 상태를 통한)를 포함한 DM 관측량에 대한 종합적 피팅을 수행한다.
• U1 결합이 U1 질량에 비해 가벼운 DM 또는 무거운 DM 영역에서 SSDMM의 타당성에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하나의 U1 레프토쿼크가 b → sμ+μ− 및 b → cτ−ν B 이질현상을 동시에 설명하면서도 모든 기존 제약 조건을 만족할 수 있는가?
• RQ2 스칼라 DM을 U1 레프토쿼크와 연결함으로써 SSDMM에서 잔여 밀도 및 직접 탐지 제약 조건은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 U1를 질량을 가진 게이지 보손으로 간주할 경우, SSgg 및 SSγγ 결합의 유한한 1차 고리 기여는 무엇인가?
• RQ4 U1를 통한 결합 붕괴 채널 SS → U1Ū1는 특히 무거운 DM에서 Higgs 포털 결합 λhS의 필요성을 줄이는가?
• RQ5 향후 간접 탐지 실험, 예를 들어 CTA는 U1-DM 결합이 있는 수정된 SSDMM을 배제하거나 제약 조건을 둘 수 있는가?

주요 결과

• 2021년 판다크로스-4T 직접 탐지 제약 조건를 반영한 후, 스칼라 싱게트 DM 모형(SSDMM)은 DM 질량 MS ≥ 1.6 TeV일 때에만 유효하다.
• 무거운 DM(MS > MU1) 영역에서는 U1를 통한 결합 붕괴 채널 SS → U1Ū1로 인해 Higgs 포털 결합 λhS의 필요값이 비정규적 영역 이하로 감소한다.
• 가벼운 DM(MS < MU1) 영역에서는 고리에 기반한 SSgg 결합이 추가적인 붕괴 채널을 제공하며, Higgs 포털 기여와의 간섭으로 인해 직접 탐지 제약 조건이 더욱 완화된다.
• λU1S = 3일 경우, 강화된 붕괴와 간섭 효과로 인해 최소 타당한 DM 질량이 약 ~1.6 TeV에서 ~1.3 TeV으로 감소한다.
• MS = 400 GeV일 경우 예측된 SS → γγ 단면적은 약 5.5 × 10⁻³¹ cm³/s이며, MS = 1000 GeV일 경우 약 9.7 × 10⁻³⁰ cm³/s로, 현재의 페르미LAT 및 H.E.S.S. 제약 조건 이하이지만 향후 CTA 관측에 도달 가능하다.
• LHC에서의 신호 pp → ℓ+ℓ−SS는 t-채널 U1 교환에 의해 발생하지만, λU1S ~ O(1) 및 MU1 > 1.8 TeV 조건에서는 단면적이 약 10⁻⁶ pb로 너무 작아 관측 가능하지 않다.