[論文レビュー] Bound-state dark matter with Majorana neutrinos

Mario Reig, Diego Restrepo+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 38被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、安定な色八重項ディラックフェルミオン $\tilde{\mathcal{Q}}$ が $\operatorname{U}(1)_D$ 対称性によって安定化され、これによりダークマターが生じる束縛状態ダークマターのモデルを提案する。同時に、色付きスカラー二重項 $\eta_a$ の交換を通じてニュートリノが放射的にマヨラナ質量を獲得する。このモデルはダークマターとニュートリノ質量生成を統一し、ニュートリノ質量なし二重ベータ崩壊に下限を予測する。スカラーがフェルミオンより重い場合、プランクスケールまで摂動的であり、ランダウ極点がない。

ABSTRACT

We propose a simple scenario in which dark matter (DM) emerges as a stable neutral hadronic thermal relics, its stability following from an exact $\operatorname{U}(1)_D$ symmetry. Neutrinos pick up radiatively induced Majorana masses from the exchange of colored DM constituents. There is a common origin for both dark matter and neutrino mass, with a lower bound for neutrinoless double beta decay. Direct DM searches at nuclear recoil experiments will test the proposal, which may also lead to other phenomenological signals at future hadron collider and lepton flavour violation experiments.

研究の動機と目的

• ダークマターとニュートリノ質量が同じ起源から放射的メカニズムで生じる、実現可能でUV完全なフレームワークを提案すること。
• $B-L$ ではなく $\operatorname{U}(1)_D$ 対称性によって束縛状態ダークマターを安定化させつつ、マヨラナニュートリノを許容すること。
• 少なくとも2つの非ゼロのニュートリノ質量を生成することで、ニュートリノ振動データと整合性を保つこと。
• 直接ダークマター検出、レプトンフラバー違反、および将来のハドロン衝突実験における素粒子的信号を調査すること。
• スカラー質量がフェルミオン質量を上回る場合に、プランクスケールまで摂動的であり、ランダウ極点がないことを示すこと。

提案手法

• $\operatorname{SU}(3)_c$ において色八重項に変換され、 $\operatorname{U}(1)_D$ に荷電する重いディラックフェルミオン $\mathcal{Q}$ を導入し、グローバル対称性によって安定化させる。
• $\operatorname{U}(1)_D$ 電荷が逆の2つの色付き $\operatorname{SU}(2)_L$ ダブルットスカラー $\eta_a$ を導入し、ニュートリノ質量生成を媒介する。
• $\mathcal{Q}$ と $\eta_a$ が循環する1ループファインマン図を用いて、1ループでマヨラナニュートリノ質量を生成する。
• $\operatorname{U}(1)_D$ とCP保存を尊重するHiggsポテンシャル $\mathcal{V}(H,\eta_a)$ を構築し、木レベルでのニュートリノ質量を禁止する。
• 1ループ有効ニュートリノ質量行列 $\mathcal{M}_\nu \sim \frac{N_c M_{\mathcal{Q}}}{32\pi^2} (h_i y_j + h_j y_i)$ を用いて、放射的に誘導されるマヨラナ質量を計算する。
• スカラー質量 $M_{\eta_a}$ がフェルミオン質量 $M_{\mathcal{Q}}$ を上回ることで、漸近的自由性を確保し、ランダウ極点を回避する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $B-L$ ではなく $\operatorname{U}(1)_D$ 対称性によって束縛状態ダークマター候補を安定化させつつ、マヨラナニュートリノを許容できるか。
• RQ2 色付きダークマター成分を含むモデルにおいて、1ループでマヨラナニュートリノ質量を生成するメカニズムは何か。
• RQ3 ダークマターフェルミオンおよびそのスカラー対粒子の質量スケールに対する宇宙論的および衝突実験的制約は何か。
• RQ4 ニュートリノ質量なし二重ベータ崩壊における有効マヨラナニュートリノ質量に下限を予測するモデルのメカニズムは何か。
• RQ5 本モデルの色付きスカラーおよびフェルミオン状態が、将来のハドロン衝突実験またはレプトンフラバー違反実験で特徴的なシグネチャを生成できるか。

主な発見

• モデルは $\mathcal{Q}$ と $\eta_a$ を含む1ループ図によって、有効質量行列 $\mathcal{M}_\nu \sim \frac{N_c M_{\mathcal{Q}}}{32\pi^2} (h_i y_j + h_j y_i)$ を介して放射的マヨラナニュートリノ質量を生成する。
• モデルは、正規ニュートリノ質量順序の場合、有効マヨラナニュートリノ質量 $\langle m_{\nu} \rangle \gtrsim 0.02$ eV の下限を予測する。これはヤコビ係数に依存する。
• 直接ダークマター検出実験は、$\mathcal{Q}\mathcal{Q}$ 束縛状態が核反発を誘発するため、モデルを探索可能である。
• スカラー質量 $M_{\eta_a}$ がフェルミオン質量 $M_{\mathcal{Q}}$ を上回る場合、モデルはプランクスケールまでUV完全であり、ランダウ極点がない。
• 100 TeV衝突機において、$\mathcal{Q}\bar{\mathcal{Q}}$ と $\eta_1\bar{\eta}_1$ の対生成断面積は同等であり、追加の荷電レプトンまたは欠損エネルギーを伴う類似のシグネチャをもたらす。
• $\mathcal{Q}$ と $\eta_a$ を介する電荷レプトンフラバー違反過程は、スカラー質量とヤコビ係数に依存して検出可能なレベルに達する可能性がある。