[論文レビュー] Dirac dark matter in a radiative neutrino model

Hiroshi Okada, Yutaro Shoji|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、$Z_3$ 対称性の下で二つのディラックニュートリノと二つの不活性ヒッグスダブルレットを介して実現される、ディラック型のダークマター（DM）候補を備えた最小限の放射的ニュートリノ質量モデルを提案する。このモデルは、一度のループでニュートリノ質量、DMの残存密度、レプトンのフラバー不変性の破れ、および直接的・間接的なDM検出制約を同時に説明でき、0.2–10 TeVのDM質量範囲をカバーする広大な許容可能なパラメータ空間を有しており、$s$-波の散乱によるDMの散乱断面積の増幅により、宇宙線陽電子過剰を説明する可能性を秘めている。

ABSTRACT

We propose a simple radiative neutrino mass scenario with a Dirac dark matter candidate, which is minimally realized by a Z3 symmetry. We introduce two Dirac neutrinos and two inert doublets. We demonstrate that the model has a large allowed region that satisfies the constraints from neutrino oscillation data, lepton flavor violations, direct/indirect detection of dark matter and dark matter relic density. We also propose an efficient parameterization of the neutrino Yukawa couplings, which reproduces a desired active neutrino mass matrix.

研究の動機と目的

• 最小限の1ループ放射的ニュートリノ質量モデルを構築し、同時にディラック型ダークマター（DM）候補を含み、現在の実験的制約を満たすことを目的とする。
• 1ループ放射的スイープ機構において安定で現実的なディラック型DM候補を実現するという挑戦に応えること。
• 観測されたニュートリノ質量行列を再現できる、ニュートリノヤコビ係数の効率的なパラメータ化を開発すること。
• ニュートリノ振動データ、レプトンフラバー不変性の破れ、直接的および間接的DM検出、正しい残存密度の制約を満たす、妥当なパラメータ空間を同定すること。

提案手法

• 2つのディラックニュートリノ（$N_{1,2}$）と2つの不活性ヒッグスダブルレット（$H_1, H_2$）を導入し、$Z_3$ 対称性に基づく相互作用によって1ループレベルでニュートリノ質量を生成する。
• $\omega = e^{2\pi i/3}$ である$Z_3$ 対称性を課すことにより、最も軽い$N_1$ がディラック型DM候補として安定化される。
• 観測されたニュートリノ質量行列と混合角を的確に再現できる、ニュートリノヤコビ係数の新規パラメータ化を用いる。
• 伝播関数$W_1$ および$W_2$ を用いた1ループ自己エネルギー図を用いて、DMの熱平均散乱断面積（$\nu\bar{\nu}$ および $\ell\bar{\ell}$ 終状態）を計算する。
• ニュートリノ振動データ、LFVの制約（例：$\mu \to e\gamma$）、直接検出（XENON1T）、間接検出、および残存密度（$\Omega_{\rm DM}h^2 \approx 0.12$）との整合性をテストするため、パラメータ空間の数値スキャンを実施する。
• 宇宙線陽電子過剰を説明するために、$s$-波支配的$\chi\bar{\chi} \to \ell\bar{\ell}$ 散乱を可能にする、ブレイト・ヴァイナーまたはソモフィールド効果などの増幅機構を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小限の1ループ放射的ニュートリノ質量モデルにディラック型DM候補を組み込み、ニュートリノ物理学およびDMの実験的制約をすべて満たすことができるか？
• RQ2 観測されたニュートリノ質量行列と混合角を効率的に再現できる、ニュートリノヤコビ係数のパラメータ化はどのように行えるか？
• RQ3 ニュートリノ振動データ、レプトンフラバー不変性の破れ、直接的および間接的DM検出、正しい残存密度の制約を満たす、妥当なパラメータ空間は何か？
• RQ4 $s$-波支配的DM散乱によるチャージドレプトン生成を通じて、観測された宇宙線陽電子過剰をモデルが説明できるか？
• RQ5 DMのディラック性が、$s$-波散乱を可能にし、間接的検出の断面積を増幅する役割を果たすか？

主な発見

• モデルは、ニュートリノ振動データ、レプトンフラバー不変性の破れ、直接的および間接的検出、正しい残存密度の制約を満たす、0.2–10 TeVの全DM質量範囲をカバーする広大な許容可能なパラメータ空間を示している。
• DMの熱平均散乱断面積は、DMのディラック性のおかげで$s$-波支配的となり、低速度域での断面積が増幅される。
• 陽子スピン断面積（$\sigma_{\rm SI} \lesssim 4.1 \times 10^{-47}~{\rm cm^2}$）およびレプトンフラバー不変性の破れ（例：$\mu \to e\gamma$）の制約が、許容領域で満たされている。
• 宇宙線陽電子過剰は、スイングルスカラーがDMと結合する場合、Breit-Wigner効果などの増幅機構を導入することで、AMS-02、DAMPE、CALETの報告する過剰を説明できる。
• 残存密度は、$\Lambda$CDMの値（$\Omega_{\rm DM}h^2 \approx 0.12$）と一致し、広いDM質量範囲で成功裏に再現されている。
• ニュートリノヤコビ係数のモデル化により、現実的な混合角および質量差を有するニュートリノ質量行列の体系的かつ効率的な再構築が可能である。