We study two different extensions of the Standard Model (SM) which provide interesting dark matter candidates.
First, we consider a strongly interacting hidden sector where vector-like quarks live with new strong gauge bosons. Like QCD in the SM, the new scale $\Lambda_h$ naturally emerges from renormalization group running effect of the new gauge coupling in the strong sector, and it can generate electroweak symmetry breaking (EWSB) scale. Though we do not write the Higgs mass term in the SM Lagrangian by imposing the classical scale symmetry in the SM sector, the scale $\Lambda_h$ can give the effective mass term of Higgs and trigger EWSB. Moreover, this model gives a good cold dark matter (CDM) candidate, the hidden sector pion, which is stable from the accidental global symmetry of the hidden quark sector. We study collider phenomenology of the model and examine the relic density and the direct detection rate of the CDM candidate. We also study the singlet-extension of this model, in which the added singlet field makes the full Lagrangian classically scale symmetric so that all the mass scales are generated quantum mechanically.
Second, we consider a model with multiple dark matters in the framework of U(1)`-extended the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM). Adding a new U(1) symmetry to MSSM is well-motivated since it can cure several problems in the MSSM such as the $\mu$-problem and the proton decay problem from higher dimensional operators. After spontaneous breaking of the U(1)` symmetry, the residual discrete symmetry may remain in the theory. We study the simplest case where the residual symmetry is $Z_2$ (U-parity). The lightest U-parity particle (LUP) is stable under the new parity, and it could be a new dark matter candidate. The U-parity accompanied by the R-parity can allow up to three stable particles. We numerically illustrate that multiple stable particles in our model can satisfy both constraints from the relic density and the direct detection. The scenario provides new possibilities in the present and upcoming dark matter searches in the direct detection and collider experiments.
입자물리에서의 표준모형(Standard Model)은 입자 가속기에서 관측되는 대부분의 실험결과를 아주 정확한 정밀도로 예측하고 있으나, 우주를 구성하는 중요한 성분으로 여겨지는 암흑물질(dark matter)에 대하여 설명하지 못하고 있다. 이에 우리는 암흑물질을 설명할 수 있는 두 가지의 확장된 표준모형에 대하여 연구하였다.
첫 번째 모형에서는 표준모형에 더하여, 강하게 상호작용하는 감추어진 영역(hidden sector)을 가정하였고, 그 영역에는 게이지 보존 외에 벡터 성질을 가지는(vector-like) 새로운 쿼크(quark) 입자들이 존재한다고 생각하였다. 이러한 감추어진 영역에서는 표준모형의 QCD에서처럼 차원 변환(dimensional transmutation) 효과에 의하여 새로운 에너지 스케일 $\Lambda_h$ 가 생겨나게 된다. 고전적인 눈금불변성(classical scale invariance)을 가정하여 힉스보존(Higgs boson) 입자의 질량항을 도입하지 않더라도, 이 에너지 스케일이 약전자기 대칭성의 깨어짐(electroweak symmetry breaking)을 발생시킬 수 있게 된다. 또한 감추어진 영역에서의 파이온(hidden sector pion) 입자는 쿼크 입자들의 온곳 대칭성(global symmetry)에 의하여 안정적이기 때문에 좋은 암흑물질 후보가 될 수 있다. 이 파이온 입자의 가속기 현상론을 연구하였고, 암흑물질이 되기 위한 중요특성인 잔재밀도(relic density)와 직접검출율(direct detection rate)을 조사하였다.
두 번째 모형은 잘 알려진 확장된 표준모형 중의 하나인 MSSM(Minimal Supersymmetric Standard Model)에 기초하고 있다. MSSM은 $\mu$ 항 문제($\mu$ -problem)나 양성자 붕괴의 문제를 가지고 있는데, 이것은 새로운 대칭성 U(1)`을 도입함으로써 해결할 수 있다. 새 대칭성 U(1)`이 도입될 경우에 그것이 깨진 후에도 남은 대칭성(residual symmetry)이 있을 수가 있고, 우리는 가장 간단한 경우를 가정하여 그 남은 대칭성이 $Z_2$ 인 경우에 대하여 연구하였다. U-홀짝성(U-parity)이라 이름지은 $Z_2$ 대칭성과 MSSM이 원래 가지고 있는 R-홀짝성(R-parity)이 함께 있는 경우에 최대 3개의 안정한 입자가 존재할 수 있음을 알게 되었다. 이 모형에서 여러 개의 암흑물질 입자가 있는 경우에 대하여 잔재밀도(relic density)와 직접검출율(direct detection rate)을 계산하였다. 이 모형 내에서, 여러 개의 암흑물질 입자가 현재까지의 실험 결과를 잘 만족할 수 있다는 것을 수치적으로 예시하였으며, 이것은 향후의 암흑물질 탐지 실험에 새로운 가능성을 제시할 것으로 보인다.
