[論文レビュー] Closing in on minimal dark matter and radiative neutrino masses

D. Aristizábal Sierra, C. Simões+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、電荷零のフェルミオン五重項またはスカラー七重項であるダークマター（DM）候補を含む、1ループ放射型ニュートリノ質量モデルを調査する。これらのモデルでは、放射型ニュートリノ質量生成に必要な追加場が、必然的にZ₂破れカップリングを導入し、極めて小さなカップリング（O(10⁻²¹)–O(10⁻¹¹)）または便宜的な対称性を仮定しない限り、DMの急速な崩壊を引き起こす。研究は、このようなモデルが微調整や追加仮定なしでは宇宙論的DM安定性と両立できないことを結論づける。

ABSTRACT

We study one-loop radiative neutrino mass models in which one of the beyond-the-standard model fields is either a hypercharge-zero fermion quintet (minimal dark matter) or a hypercharge-zero scalar septet. By systematically classifying all possible one-loop such models we identify various processes that render the neutral component of these representations (dark matter) cosmologically unstable. Thus, our findings show that these scenarios are in general not reconcilable with dark matter stability unless tiny couplings or additional ad hoc symmetries are assumed, in contrast to minimal dark matter models where stability is entirely due to the standard model gauge symmetry. For some variants based on higher-order loops we find that $α_2$ reaches a Landau pole at rather low scales, a couple orders of magnitude from the characteristic scale of the model itself. Thus, we argue that some of these variations although consistent with dark matter stability and phenomenological constraints are hard to reconcile with perturbativity criteria.

研究の動機と目的

• ハイパーチャージ零のフェルミオン五重項およびスカラー七重項を用いた最小DM表現を組み込んだ1ループ放射型ニュートリノ質量モデルの宇宙論的妥当性を評価すること。
• これらの表現をループ中間子として用いた、 Weinberg 演算子のすべての可能な1ループ実現を体系的に分類すること。
• DMの急速な崩壊を引き起こす可能性があるZ₂破れ崩壊項を同定・評価し、最小DMシナリオの安定性に挑戦すること。
• 特に低エネルギースケールでのLandau極の発生に注目して、SU(2)×U(1)Yゲージカップリングの走査を分析することで、このようなモデルの摂動的妥当性を検討すること。
• これらのモデルが、DM安定性および摂動的量子場理論の制約の両方と両立しうるかどうかを特定すること。

提案手法

• ローレンツ不変性およびゲージ不変性の制約の下で、ハイパーチャージ零のフェルミオン五重項またはスカラー七重項をループ中間子として用いた、すべての1ループニュートリノ質量モデルの体系的分類。
• 有効場理論解析を通じてZ₂破れカップリングを同定し、DM成分の木レベルおよびループ誘導崩壊項に注目する。
• 2ループの整合性関係式（RGE）を用いて、SU(2)×U(1)Yゲージカップリングα₂の走査を分析し、特にLandau極の位置を詳細に検討する。
• ニュートリノ質量モデルのパラメータをさまざまな値に設定した場合のDM崩壊寿命の推定。
• 1ループ、2ループ、3ループニュートリノ質量モデルの結果を比較し、ループ次数がDM安定性および摂動的妥当性に与える影響を評価する。
• 特定の3ループモデルにおけるLandau極スケールΛ_Landau-poleの数値的評価を行い、m_X（重い場の質量スケール）の(10–10²)倍の範囲にあることが判明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイパーチャージ零のフェルミオン五重項またはスカラー七重項を中間子として用いた1ループ放射型ニュートリノ質量モデルは、宇宙論的ダークマター安定性と両立可能か？
• RQ2 このようなモデルで、DMの急速な崩壊を引き起こす主要なZ₂破れ崩壊項は何か？
• RQ3 DM安定性のための必要となるカップリング強度は、自然な値または摂動的期待と比較してどの程度か？
• RQ4 3ループニュートリノ質量モデルにおいて、SU(2)×U(1)YゲージカップリングはどのエネルギースケールでLandau極に達するか？ これは摂動的妥当性にどのような意味を持つのか？
• RQ5 2ループニュートリノ質量モデルは、トポロジー上の「ハイパーチャージ自由性」のおかげで、1ループモデルで見られるDM不安定性を回避できるか？

主な発見

• 1ループニュートリノ質量生成に必要な追加場を導入することは、必然的にZ₂破れカップリングを生じさせ、その結果、極端な微調整が施されない限り、DMの急速な崩壊を引き起こす。このため、最小DMシナリオは宇宙論的に不安定となる。
• フェルミオン五重項の場合、ニュートリノ質量モデルのパラメータを極限まで引き伸ばしても、妥当なパラメータ選択の下ではDM崩壊寿命が許容できないほど短くなる。
• スカラー七重項表現は、すでにプランクスケールのカットオフでもループ誘導型の次元6演算子が存在し、急速な崩壊を引き起こすため、最小DMシナリオでは実用的なDM候補として不適切である。
• 3ループニュートリノ質量モデルでは、SU(2)×U(1)Yゲージカップリングα₂がスケールΛ_Landau-pole ≈ (10–10²)×m_XでLandau極に達し、モデルの特徴的質量スケールの数倍から百倍程度のエネルギースケールで摂動論的妥当性が崩れる。
• 2ループモデルは、トポロジー上の「ハイパーチャージ自由性」のおかげでDM不安定性を回避できる可能性があるが、全エネルギー範囲にわたる摂動的妥当性の維持には依然として課題が残る。
• これらの結果は、最小DM表現を用いた1ループモデルが、極めて小さなカップリング（O(10⁻²¹)–O(10⁻¹¹)）または便宜的な対称性を導入しない限り、DM安定性および摂動的量子場理論の両立が不可能であることを示唆しており、高次表現を用いる動機そのものを損なう。