[논문 리뷰] Two Loop Radiative Seesaw and X-ray line Dark Matter with Global U(1) Symmetry

Hiroshi Okada|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 전 세계 U(1) 대칭을 가진 두 개의 루프 방사형 중성미온 모형을 제안하며, 이는 어둠의 물질 붕괴에서 관측된 7.1 keV X선 선과 함께 sub-eV 수준의 중성미온 질량을 동시에 설명한다. 모형은 가벼운 어둠의 물질 후보(7.1 keV)를 활성 중성미와 매우 작은 결합으로 혼합시키며, 토대 밀도는 골드스토니 보손 쌍으로의 결합을 통해 달성된다. 이는 렙톤 밀도 위반 및 힉스 보손의 투명한 붕괴 비율에 대한 모든 제약 조건을 만족한다.

ABSTRACT

We study a two loop induced radiative neutrino model with global $U(1)$ symmetry at 1 GeV scale, in which we explain the X-ray line at 7.1 keV of dark matter candidate reported by XMN-Newton X-ray observatory using data of various galaxy clusters and Andromeda galaxy. We also discuss Higgs sector, lepton flavor violation processes, and a physical Goldstone boson.

연구 동기 및 목표

• 은하단과 안드로메다에서 XMM-Newton 데이터에서 관측된 7.1 keV X선 선을 활성 중성미와 매우 작은 혼합을 가지는 어둠의 물질 후보를 통해 설명하기 위해.
• 큰 풍미 위반 과정을 피하면서도 전 세계 U(1) 대칭과 일치하는 두 루프 방사형 시즈 메커니즘을 통해 중성미온 질량을 구성하기 위해.
• 자발적 전 세계 U(1) 대칭 붕괴로부터 기인한 골드스토니 보손 쌍으로의 결합을 통해 정상적인 어둠의 물질 토대 밀도를 달성하기 위해.
• 렙톤 풍미 위반, 렙톤 균일성, 그리고 표준모형 힉스 보손의 투명한 붕괴 너비에 의한 제약 조건을 만족하기 위해.
• 골드스토니 보손을 통한 효과적인 중성미온 종류 수와 항성 에너지 손실에 의한 제약 조건을 피함으로써 천체물리학적 타당성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 표준모형에 세 개의 게이지 싱เก릿 메이저라나 페르미온 $N_R$, 두 개의 단일 전하 싱게릿 스칼라 $\chi_1^+, \chi_2^+$, 그리고 중성 싱게릿 스칼라 $\varphi$ 를 도입한다.
• 트리 수준 중성미온 질량을 억제하고 Zee-Babu 타입의 도표를 통한 두 루프 중성미온 질량 생성을 보장하기 위해 비자명한 전하를 가진 전 세계 $U(1)$ 대칭을 도입한다.
• 표준모형 유사 힉스 $\Phi$ 와 싱게릿 스칼라 $\varphi$ 의 진공 기대값을 가정하며, 어둠의 물질 질량 척도를 설정하기 위해 $v' \approx 1$ GeV 로 설정한다.
• X선 선 붕괴에 필요한 $\sin^2 2\theta \approx 10^{-10}$ 혼합을 생성하기 위해 첫 번째 쿼크 세대에 대해 매우 작은 요카다 상호작용 $g'$ 를 도입한다.
• 레프톤 풍미 위반, 힉스의 투명한 너비, 그리고 토대 밀도를 포함한 모든 현상학적 제약 조건을 만족시키기 위해 요카다 상호작용과 $M_N$ 에 대한 수치적 스캔을 수행한다.
• 골드스토니 보손 기여도를 $\Delta N_{\rm eff}$ 에 계산하고, 95% 신뢰수준에서 플랑크 데이터($\lesssim 0.33$)와 일치함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전 세계 U(1) 대칭을 가진 두 루프 방사형 시즈 모형이 동시에 7.1 keV X선 선과 sub-eV 수준의 중성미온 질량을 설명할 수 있는가?
• RQ2 질량이 7.1 keV인 어둠의 물질 후보가 골드스토니 보손 쌍으로의 결합을 통해 정상적인 토대 밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ3 렙톤 풍미 위반, 렙톤 균일성, 그리고 투명한 힉스 붕괴 너비는 모형의 매개변수에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ4 특히 효과적인 상대론적 종류 수 $\Delta N_{\rm eff}$ 와 항성 에너지 손실에 대해 모형은 천체물리학적으로 타당한가?
• RQ5 골드스토니 보손이 존재하더라도 축상자 검색 및 기타 천체물리학적 제약 조건과 충돌을 피할 수 있는가?

주요 결과

• 모형은 어둠의 물질 후보가 중성미온과 광자를 방출하는 붕괴를 통해 7.1 keV X선 선을 성공적으로 설명하며, 이는 $\sin^2 2\theta \approx 10^{-10}$ 의 혼합 각도를 필요로 한다.
• 어둠의 물질의 토대 밀도는 $v' \approx 1$ GeV 와 $m_{h_1} \approx 0.051$ GeV 인 골드스토니 보손 쌍으로의 열적 결합을 통해 달성되며, 관측된 어둠의 물질 밀도를 만족한다.
• 모형은 투명한 힉스 붕괴 너비 제약 조건을 만족하며, $\Gamma_{\rm inv} \approx 0.0464$ GeV 로 실험 상한선 0.2 GeV 보다 훨씬 낮다.
• 수치적 스캔 결과, 렙톤 풍미 위반과 렙톤 균일성 제약 조건을 모두 만족하는 506개의 타당한 점이 도출되었으며, $M_N \in [10^{-5}, 10^{-4}]$ GeV 범위와 요카다 상호작용 $f, g \in [5 \times 10^{-3}, 0.1]$ 범위 내에서의 값이 포함된다.
• 효과적인 상대론적 종류 수 $\Delta N_{\rm eff} \approx 0.045$ 는 플랑크 데이터와 일치하며, 골드스토니 보손은 벡터 전류를 통해만 상호작용하므로 우주 끈과 항성 에너지 손실에 의한 제약 조건을 피한다.
• 중성미온 질량의 주요 기여도는 약 $\mathcal{O}(10^{-9})$ eV 로 추정되며, 관측된 약 0.01 eV 수준에 비해 무시무시하게 작아 두 루프 메커니즘이 열악한 기여를 한다는 것을 확인한다.