[論文レビュー] A minimal model of TeV scale WIMPy leptogenesis

Arnab Dasgupta, Chandan Hati+2 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、TeVスケールのWIMPによるレプトン数違反を伴う非平衡な散乱を通じて、ダークマターの残存密度とバリオン非対称性を同時に説明する、標準模型の最小限のU(1)_{B-L}ゲージ拡張を提案する。モデルは、WIMPダークマター候補（N₁, N₂）の散乱からレプトン非対称性を生成し、ループ図によるCP対称性の破れを経て、アクセス可能な加速器スケールで成功裏にバリオン非対称性を生成し、μ→eγの衰えの増幅が測定可能である。

ABSTRACT

We present a minimal framework of $U(1)_{B-L}$ gauge extension of the Standard Model explaining dark matter abundance and matter-antimatter asymmetry simultaneously through an attractive mechanism of TeV scale WIMPy leptogenesis, testable at the current and next generation of colliders. This framework can also explain small neutrino masses via a radiative mechanism. One of the key predictions of this model is an enhanced rate for lepton flavor violating decay $μ ightarrow e γ$ within the sensitivity reach of next generation experiments.

研究の動機と目的

• ダークマターとバリオン密度の類似性という宇宙論的一致問題を、最小限の枠組みでダークマターとバリオジェネシスを統一することで解決すること。
• 従来のモデルが要求する高エネルギースケールを回避し、TeVスケールで実現可能なレプトン生成の有効なメカニズムを確立すること。
• 不活性スカラー二重項を介した放射的シースォー・メカニズムにより、小さなニュートリノ質量を説明すること。
• 次世代実験で観測可能なレベルのレプトンフラバー非保存衰えμ→eγの増幅を予測すること。
• 非自明なB-L荷を持つ最小限の場の内容により、異常キャンセレーションとゲージ整合性を保証すること。

提案手法

• U(1)_{B-L}拡張における異常キャンセレーションを実現するため、B-L = -4の右手系ニュートリノを3つ導入し、安定なWIMPダークマターとしての性質を保証する。
• B-L = 3の複素不活性スカラー二重項ηを導入し、tチャネル交換によってレプトン数違反を伴うDM散乱（N₁,₂N₁,₂ → νν）を媒介する。
• ηの荷電成分とトップ/クォークループを含む、木図と1ループ図の干渉によってCP対称性の破れを生成する。
• WIMPの残存密度とレプトン非対称性のボルツマン方程式を解き、凍結とウォッシュアウト過程を追跡する。
• ループ寄与のCP非対称性パラメータεの計算に、Passarino-Veltman関数を用いる。
• 質量依存のループ積分とフェルミオン結合定数を組み込んだ干渉項δᶜ_Vを用いて、レプトン非対称性パラメータεを計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小限のU(1)_{B-L}拡張が、TeVスケールでダークマターの残存密度とバリオン非対称性を同時に説明できるか？
• RQ2 レプトン数違反を伴うWIMP散乱が、観測されたバリオン非対称性に至るレプトン非対称性をどのように生成するか？
• RQ3 このモデルにおけるCP対称性の破れはどのように生じるか？また、観測された物質-反物質非対称性を生成するのに十分な大きさか？
• RQ4 レプトンフラバー非保存衰えμ→eγの予測される崩壊率は何か？次世代実験で測定可能か？
• RQ5 追加の重い状態を導入せずに、この最小限の枠組み内でニュートリノ質量を放射的に生成できるか？

主な発見

• Z′ゲージボソンの質量が数TeV程度であるため、本モデルはTeVスケールで成功裏にWIMPyレプトン生成を実現し、現在および将来の加速器実験で検証可能である。
• レプトン非対称性は、不活性スカラー二重項ηを介した、WIMPダークマター（N₁, N₂）の非平衡散乱（N₁,₂N₁,₂ → νν）によって生成される。
• CP非対称性パラメータεはループレベルの干渉によって生成され、主にトップおよびチャームクォークループからの寄与が支配的である。
• 本モデルは、レプトンフラバー非保存衰えμ→eγのブランチ比に顕著な増幅を予測し、Mu3eなどの次世代実験の感度範囲内に達する。
• ニュートリノ質量は、不活性スカラー二重項の荷電成分を介した放射的シースォー・メカニズムにより生成され、振動データと整合的である。
• T < m_DM 時にボルツマン抑制が作用するため、ウォッシュアウト過程は抑制され、レプトン非対称性はサプラネロン過程によってバリオン非対称性に変換される。