[論文レビュー] Common Origin of Active and Sterile Neutrino Masses with Dark Matter

Rathin Adhikari, Debasish Borah+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、1ループ放射的なメカニズムを通じて、3つのアクティブなニュートリノと1つのステアイルニュートリノのeVスケールの質量と混合を同時に説明するU(1)ₐ拡張の標準模型を提案する。同時に、残留Z₂対称性を保ち、コールドダークマター候補を安定化させる。このモデルは、ステアイルニュートリノ物理学とダークマターを自然に統一し、現在の実験的制約に整合する妥当な物性論的展開を可能にする。

ABSTRACT

We propose an abelian extension of the Standard Model which can explain the origin of eV scale masses and mixing for active and sterile neutrinos and at the same time providing a natural cold dark matter candidate. One of the three active neutrinos acquires mass at tree level through seesaw mechanism whereas the other two active neutrinos and one sterile neutrino acquire eV scale masses at one-loop level. The model also allows non-trivial mixing between active and sterile neutrinos at one-loop level which could have interesting signatures at neutrino experiments. After the abelian gauge symmetry gets spontaneously broken down to a $Z_2$ symmetry, the lightest $Z_2$ odd particle can naturally give rise to the cold dark matter of the Universe. The phenomenology of both fermionic and scalar dark matter is briefly discussed by incorporating latest experimental constraints.

研究の動機と目的

• 3つのアクティブなニュートリノと1つのステアイルニュートリノのeVスケールの質量を、1つのローレンツ不変なモデル内で統一的に説明すること。
• U(1)ₐゲージ対称性の破れ後に残留Z₂対称性を保ち、ダークマター候補を安定化すること。
• 1ループレベルでのアクティブとステアイルニュートリノ間の非自明な混合を可能にし、短基準長スケールニュートリノの異常を説明すること。
• 低質量領域（10–100 GeV）におけるフェルミオン的およびスカラー的ダークマター候補を組み込み、リリック密度と直接検出制約と整合すること。
• keVスケールのステアイルニュートリノを温かいダークマター候補として含む混合ダークマター状況を検討すること。

提案手法

• すべての新規粒子に対して異常なしのHypercharge割り当てを持つアーベル的U(1)ₐゲージ対称性を導入する。
• U(1)ₐの自発的対称性の破れを実装し、残留Z₂対称性を保ち、最も軽いZ₂奇数粒子の安定性を保証する。
• 新しいスカラーダブルレットと右手性ニュートリノを含むスカラーダイアグラムおよびフェルミオン的ループ図を通じて、1ループ放射的ニュートリノ質量を実現する。
• ニュートリノ質量生成とダークマター安定性を媒介する2つの複素スカラーダブルレットと2つの実スカラーモノポールを含むスカラー系を構築する。
• 標準模型のヒッグス粒子がスピン独立のダークマター核子散乱を媒介し、LUXデータによって制約された結合定数を用いる。
• 低質量領域（10–100 GeV）に焦点を当て、スカラー的およびフェルミオン的ダークマター候補のリリック密度計算を実施し、観測されたダークマター密度と整合するようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのモデルが、共通の放射的メカニズムを通じて、3つのアクティブなニュートリノと1つのステアイルニュートリノのeVスケールの質量を同時に説明できるか？
• RQ2 U(1)ₐ拡張において、コールドダークマター候補を安定化するために、残留Z₂対称性をどのように保てるか？
• RQ3 1ループダイアグラムが、eVスケールでのアクティブ-ステアイルニュートリノ混合を生成する役割を果たすか？
• RQ4 10–100 GeVの質量範囲に、フェルミオン的およびスカラー的ダークマター候補を両方とも組み込み、リリック密度および直接検出制約を満たすことができるか？
• RQ5 コールドダークマター候補を不安定にしないように、keVスケールのステアイルニュートリノを温かいダークマター成分としてモデルに拡張することは可能か？

主な発見

• 1つのアクティブニュートリノは、タイプIのシーイズメカニズムにより木レベルで質量を獲得するが、残りの2つのアクティブニュートリノと1つのステアイルニュートリノは、1ループダイアグラムを通じてeVスケールの質量を獲得する。
• アクティブとステアイルニュートリノ間の非ゼロの混合は1ループレベルで生成され、原子炉および加速器ベースの短基準長スケールニュートリノの異常を説明する有効なメカニズムを提供する。
• 最も軽いZ₂奇数粒子は安定であり、コールドダークマター候補として機能できる。フェルミオン的およびスカラー的実現とも、10–100 GeVの質量窓内で観測されたリリック密度と整合する。
• スカラーダブルレットダークマター候補は、100 GeV未満のダークマスに対してσ_SI < 7.6×10⁻⁴⁶ cm²というLUX直接検出制約を満たす。
• モデルは、Z₂安定化コールドダークマター候補とkeVスケールのステアイルニュートリノを温かいダークマター成分として含む混合ダークマター状況を許容する。その寿命は宇宙の年齢を上回る。
• ループ抑制のおかげで、新物理スケールは自然にTeVスケールにあり、次元なし結合定数の微調整を回避する。