[논문 리뷰] The FIMP-WIMP dark matter and Muon g-2 in the extended singlet scalar model

Pritam Das, Mrinal Kumar Das외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 08.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 53인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 최소적 확장을 제안하며, 실수 스칼라 레이어, 벡터-형식의 싱เก트론 페르미온, 그리고 페르미온 듀엣을 포함하여, 냉각-형성(freeze-in)과 냉각-해체(freeze-out) 메커니즘을 통해 관측된 암흑물질 잔여 밀도를 동시에 설명하고, 뮤온 g-2 이상 현상을 해결한다. 이 논문은 14 TeV LHC에서 MATHUSLA100/200를 사용할 경우, 10^6 fb⁻¹ 광도에서 3개 이상의 사건을 탐지할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We explore a simplest viable dark matter model with a real singlet scalar, vector-like singlet and doublet fermions. The Yukawa couplings associate with the fermion sector play a crucial role to get the current relic density of the Universe through Freeze-in and Freeze-out mechanism. A solution to muon anomalous magnetic moment is carried out in an economical fashion via the dark matter and light fermion doublet interaction. We discuss the constraints from the recent muon anomalous magnetic moment experimental data and relic density. We also perform the collider analysis for the FIMP dark matter in the context of 14 TeV LHC experiments with the MATHUSLA100/200 detector. Our analysis shows that, one can get enough events $>3$ for heavy charged fermion track at 14 TeV LHC with an integrated luminosity $\mathcal{L}=10^6 ~{ m fb^{-1}}$.

연구 동기 및 목표

• 관측된 암흑물질 잔여 밀도와 뮤온 비정상 자기모멘트를 동시에 설명할 수 있는 표준모형의 최소적 확장을 구축하는 것.
• 적절한 암흑물질 밀도를 생성하는 데 있어 냉각-형성과 냉각-해체 메커니즘의 상호작용을 탐구하는 것.
• 특히 14 TeV LHC에서 장수명의 무거운 양성자 페르미온을 탐지할 수 있는 가능성에 대한 콜라이더 타당성을 조사하는 것.
• 최근의 뮤온 g-2 및 암흑물질 잔여 밀도에 관한 실험 데이터를 바탕으로 모델을 제약하는 것.

제안 방법

• 표준모형 라그랑지안에 실수 스칼라 레이어, 벡터-형식의 싱게트론 페르미온, 그리고 페르미온 듀엣을 도입한다.
• 페르미온 듀엣과 싱게트론 스칼라 사이의 요카다 상호작용을 통해 뮤온 g-2 이상 현상을 유도하는 상호작용 메커니즘을 설정한다.
• 스칼라 부문에서 냉각-형성과 냉각-해체 메커니즘을 모두 구현하여 관측된 암흑물질 잔여 밀도를 달성한다.
• 14 TeV LHC에서 장수명의 양성자 페르미온 서명을 시뮬레이션하기 위해 MATHUSLA100/200 탐지기 개념을 사용한 콜라이더 분석을 수행한다.
• 통합 광도 10^6 fb⁻¹일 때, 무거운 양성자 페르미온 붕괴에 대한 기대 탐지 사건 수를 계산한다.
• 최근의 뮤온 g-2 측정치와 암흑물질 잔여 밀도에 대한 플랑크 데이터를 바탕으로 제약 조건을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형의 최소적 확장이 관측된 암흑물질 잔여 밀도와 뮤온 g-2 이상 현상을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 벡터-형식의 페르미온과 싱게트론 스칼라를 포함한 요카다 상호작용이 뮤온 g-2 편차를 어떻게 유도하는가?
• RQ3 냉각-형성과 냉각-해체 메커니즘이 같은 모델 안에서 어떻게 공존하여 적절한 암흑물질 밀도를 생성하는가?
• RQ4 14 TeV LHC에서 MATHUSLA100/200를 사용할 경우, 장수명의 양성자 페르미온에 대한 탐지 가능성은 어떠한가?
• RQ5 10^6 fb⁻¹ 광도에서, 무거운 양성자 페르미온 궤적에 대해 3개 이상의 탐지 가능한 사건을 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 싱게트론 스칼라와 벡터-형식의 페르미온을 통해 중재되는 냉각-형성과 냉각-해체 메커니즘의 조합을 통해 관측된 암흑물질 잔여 밀도를 성공적으로 재현한다.
• 뮤온 비정상 자기모멘트는 암흑물질과 가벼운 페르미온 듀엣 간의 상호작용에 의해 발생하는 루프 수준 기여로 설명된다.
• 최근의 실험 데이터인 뮤온 g-2와 플랑크 측정치에 의한 잔여 밀도와 이 모델은 일치한다.
• 통합 광도 10^6 fb⁻¹일 경우, 14 TeV LHC에 MATHUSLA100/200를 장착하면 장수명의 무거운 양성자 페르미온에 대해 3개 이상의 탐지 가능한 사건을 생성할 수 있다.
• 모델은 암흑물질과 뮤온 g-2를 동시에 설명할 수 있는 타당한 매개변수 영역을 예측하며, 미세조정이 필요하지 않다.