スカラーシングレットを持つGeorgi-Machacek模型のデカップリング限界の再検討：ダークマターとコライダー物理の関連性

Q: GM-S模型は、ニュートリノ質量や宇宙の物質・反物質非対称性などの他の未解決問題にどのような影響を与えるでしょうか？

GM-S模型は、ニュートリノ質量生成に関して興味深い可能性を提供します。 ラグランジアンに含まれるYukawa相互作用項と三重項スカラー場の真空期待値vχにより、シーソー機構を通じてマヨラナ質量項が生成され、ニュートリノに質量を与えることが可能となります。 一方、宇宙の物質・反物質非対称性については、GM-S模型単独では説明が困難です。物質・反物質非対称性を説明するには、バリオン数生成、C対称性とCP対称性の破れ、非熱平衡過程という３つの条件 (サハロフの条件) を満たす必要があります。GM-S模型はCP対称性の破れの新たな源を提供する可能性はありますが、サハロフの条件を全て満たすようなバリオン数生成機構を自然に組み込むことは難しいと考えられています。

Q: トリプレット真空期待値が大きい領域（vχ > 1 GeV）では、どのような物理現象が予想されるでしょうか？

トリプレット真空期待値vχが大きい領域 (vχ > 1 GeV) では、以下の様な物理現象が予想されます。 電弱精密測定からのより強い制限: vχが大きくなると、標準模型を超える寄与が大きくなり、S, Tパラメータなどの電弱精密測定から強い制限を受けることになります。 LHC実験における直接探索: 重いヒッグス粒子 (H, H5, H3) の質量が比較的軽くなるため、LHC実験での直接探索で生成される可能性があります。特に、これらの粒子がWボソンやZボソン、あるいはトップクォークなどの標準模型粒子に崩壊する過程が探索の対象となります。 レプトンフレーバーの破れの信号: トリプレットスカラー場とレプトンとの相互作用は、レプトンフレーバーを破る可能性があります。その場合、μ→eγなどのレプトンフレーバーを破る崩壊が観測される可能性があります。

Q: 将来のダークマター検出実験や高輝度LHC実験によって、GM-S模型の検証はどのように進展するでしょうか？

将来のダークマター検出実験や高輝度LHC実験によって、GM-S模型の検証は以下の様に進展すると考えられます。 直接検出実験: 将来のダークマター直接検出実験 (例えば、XENONnT実験やLZ実験) では、検出感度が向上し、より広いパラメータ領域を探索することが可能になります。GM-S模型で予測されるダークマターと原子核との相互作用の強さを考慮すると、これらの実験でダークマターが発見される可能性もあります。 間接検出実験: CTAなどのガンマ線望遠鏡を用いた間接検出実験では、ダークマター対消滅で生じるガンマ線を探索します。GM-S模型では、ダークマターがBSMスカラー粒子を介して対消滅する過程が重要となるため、CTA実験でガンマ線信号が観測される可能性があります。 高輝度LHC実験: 高輝度LHC実験では、生成されるヒッグス粒子や他の粒子の統計量が大幅に増加するため、標準模型を超える物理の探索感度が向上します。GM-S模型で予測される重いヒッグス粒子や、トリプレットスカラー場が生成される可能性があり、それらの崩壊過程を詳細に調べることで、模型の検証が可能となります。 これらの実験結果を組み合わせることで、GM-S模型の広いパラメータ領域を検証し、模型の妥当性をより厳密に評価できるようになると期待されます。

核心概念

トリプレット真空期待値の小さな領域（vχ < 1 GeV）におけるスカラーシングレットを持つGeorgi-Machacek（GM-S）模型は、理論的制約、電弱精密測定、LHCの探索結果と一致し、シングレットスカラーが熱的ダークマター候補として機能します。

要約