[論文レビュー] Can Zee-Babu model implemented with scalar dark matter explain both Fermi-LAT 130 GeV $\gamma$-ray excess and neutrino physics ?

Seungwon Baek, P. Ko Hiroshi Okada+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 35被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、Zee-BabuモデルにスカラーDM候補とグローバルU(1)B−L対称性を追加することで、Fermi-LAT 130 GeV γ線ライン過剰とニュートリノ質量を同時に説明する。U(1)B−Lモデルにおいて、共鳴散乱または大きな真空期待値を介して、DMの残り残量密度とγ線信号を同時に実現可能であり、直接検出やヒッグス崩壊の修正に関する制約を回避している。

ABSTRACT

We extend the Zee-Babu model for the neutrino masses and mixings by first incorporating a scalar dark matter $X$ with $Z_2$ symmetry and then $X$ and a dark scalar $\varphi$ with global $U(1)$ symmetry. In the latter scenario the singly and doubly charged scalars that are new in the Zee-Babu model can explain the large annihilation cross section of a dark matter pair into two photons as hinted by the recent analysis of the Fermi $\gamma$-ray space telescope data. These new scalars can also enhance the $B ( H ightarrow \gamma\gamma )$, as the recent LHC results may suggest. The dark matter relic density can be explained. The direct detection rate of the dark matter is predicted to be about one order of magnitude down from the current experimental bound in the first scenario.

研究の動機と目的

• Fermi-LAT 130 GeV γ線ライン過剰を、実現可能なDMモデルと調和させること。
• Zee-BabuモデルにスカラーDMを組み込みつつ、ニュートリノ質量生成メカニズムを維持すること。
• Zee-Babuモデル内の荷電スカラーがDMの光子への散乱を媒介できるかを検討すること。
• 直接検出、ヒッグス崩壊、真空安定性の制約下でのモデルの妥当性を調査すること。
• U(1)B−L対称性拡張が、γ線ラインと適切な残り残量密度を矛盾なく同時に実現できるかを同定すること。

提案手法

• DMを安定化し、ヒッグスおよびZee-Babuスカラーと結合するために、Z2対称性（X → −X）を持つ実スカラーDM Xを導入。
• 可重整化相互作用を含むスカラー自己エネルギーを構築し、λHX、λXh、λXk結合を介して、ループダイアグラムによるγγへのDM散乱を媒介。
• ボルツマン方程式とスピン不変散乱断面積を用いて、熱的残り残量密度と直接検出断面積を分析。
• 荷電スカラーの1ループ寄与（干渉効果を含む）を用いて、ヒッグス崩壊Br(H → γγ)を評価。
• 複素スカラーϕを導入したU(1)B−L対称性拡張を提案。ϕが真空期待値を獲得し、U(1)B−LをZ2に破壊することで、DM成分を安定化。
• U(1)B−Lモデルにおいて、mϕ ≈ 2mRのときDM散乱が共鳴的に増幅され、freeze-out機構により残り残量密度が達成されることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラーDMを有するZee-Babuモデルが、光子へのループ誘導散乱を通じてFermi-LAT 130 GeV γ線ライン過剰を説明できるか？
• RQ2 直接検出および真空安定性の制約下で、DMとZee-Babuスカラー間の混合結合（λHX、λXh、λXk）に課される制限は何か？
• RQ3 U(1)B−L対称性モデルが、観測されたDMの残り残量密度とγ線ライン信号を、ヒッグスボソン崩壊測定と矛盾せずに同時に実現できるか？
• RQ4 U(1)B−Lを破壊するダークスカラーϕの導入が、DMの実験的性質およびニュートリノ系に与える影響は何か？
• RQ5 Zee-Babuスカラーがヒッグスボソンの2光子崩壊に与える影響は何か？LHCデータと整合的か？

主な発見

• Z2モデルにおいて、⟨σv⟩γγの最大値は約0.2 × 10⁻²⁷ cm³/sであり、これはFermi-LAT 130 GeV過剰を説明するために必要な値の約6分の1に過ぎない。
• λXhおよびλXkの混合結合は、⟨σv⟩γγをFermi-LAT信号に十分に適合させられるが、直接検出実験により制限を受けており、σp < 1 × 10⁻⁹ pbの範囲に制限される。
• 理論的制限（λHh、λHk ≤ 0.7）および真空安定性制約（≥ −1.6）により、B(H → γγ)の増幅は最大でSM値の1.5倍に制限される。
• U(1)B−Lモデルでは、2つの領域（mϕ ≈ 2mR：共鳴領域、および大規模なvϕ ≈ 10⁶–10⁷ GeV）で、残り残量密度とγ線ライン信号が成功裏に説明可能である。
• U(1)B−Lモデルでは、SMヒッグスとの混合がないため、H → γγとの相関が回避され、現在の実験的制約と整合的である。
• U(1)B−Lモデルにおいてニュートリノ系は変化せず、Zee-Babuメカニズムが独立してニュートリノ質量を生成可能である。