[論文レビュー] Extension of $ u$MSM model and possible explanations of recent astronomical and collider observations

Krishna Kulkarni|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、右手スピンの消えるニュートリノと奇妙なヒッグス粒子に結合するU(1)'ゲージ対称性を導入することで、νMSMモデルを拡張し、3.5 keV X線線、銀河中心過剰(GCE)、750 GeVの二光子過剰、バリオン非対称性を統一的に説明する。モデルは、3.5 keV線のためのmN1 ~ 7 keV（7 keVの消えるニュートリノの崩壊による）、GCEとバリオン生成のためのmN2,3 ~ 5–60 GeV、および750 GeV付近の新しいスカラーを予測し、すべてが現在の観測制約と整合している。

ABSTRACT

Here I present the extension to ${ u}$MSM model by adding a $U(1)'$ gauge symmetry under which right-handed fermions including sterile neutrinos and exotic Higgs scalar are charged. This model explains 3.5 keV line observed by XMM-Newton telescope as well as Galactic Center Excess(GCE) detected by Fermi-LAT satellite. The proposed model also accounts for recent diphoton excess of mass around 750 GeV produced in ATLAS and CMS detectors. Cosmological inconsistencies such as baryon asymmetry can also be explained. Verification of presented model is possible with current experimental techniques and limitations. Careful validation and analysis of the model needs to be done in future.

研究の動機と目的

• 複数の未解決な宇宙物理学的および衝突実験的観測を、一つの理論的枠組みで統一的に説明すること。
• 右手スピンの消えるニュートリノと奇妙なヒッグス粒子に結合するU(1)'ゲージ対称性を導入することで、νMSMモデルを拡張すること。
• XMM-Newtonが観測した3.5 keV X線線を、7 keVの消えるニュートリノの崩壊によって説明すること。
• Fermi-LATデータにおける銀河中心過剰(GCE)を、5–60 GeVの消えるニュートリノの対消滅によって説明すること。
• 単一フェルミオンの振動を介してバリオン非対称性生成のメカニズムを提供すること。

提案手法

• 奇妙なヒッグス粒子Φからの真空期待値によって質量を獲得する新しいゲージボソンEµを有するU(1)'ゲージ対称性を導入する。
• Eµが右手スピンフェルミオンおよび消えるニュートリノとgNおよび現在-現在相互作用を通じて結合するように、νMSMのラグランジアンを拡張する。
• 質量スケールを割り当てる：3.5 keV線のためのmN1 ~ 7 keV、GCEとバリオン生成のためのmN2,3 ~ 5–60 GeV、二光子過剰のためのmΦ ~ 750 GeV。
• スレーブメカニズムを用いて、軽いアクティブニュートリノ質量を生成し、正の階層においてmν1 ~ 10−5 eV、mν2 ~ 9×10−6 eV、mν3 ~ 5×10−2 eVとする。
• CMB、ライマン-αフォレスト、X線観測、Fermi-LATデータからの制約を適用して、消えるニュートリノの質量および混合パラメータを固定する。
• 将来的なEµ、Φ、および消えるニュートリノの崩壊/対消滅の探索による実験的検証を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 U(1)'拡張νMSMが、同時に3.5 keV X線線、GCE、750 GeVの二光子過剰を説明できるか？
• RQ2 消えるニュートリノの質量および混合角が、3.5 keV線およびGCEの説明にどのように制約を受けるか？
• RQ3 このモデルが、単一フェルミオンの振動を介して十分なバリオン非対称性を生成できるか？
• RQ4 新しいゲージボソンEµおよび奇妙なヒッグス粒子Φの有効な質量および結合定数の範囲は何か？
• RQ5 このモデルは、現在または近い将来の実験データでどのように検証可能か？

主な発見

• 3.5 keV X線線は、混合角sin²(2θ) ≈ (2–20)×10⁻¹¹の7 keVの消えるニュートリノの崩壊によって説明され、XMM-Newtonおよび73クラスタ解析と整合的である。
• 銀河中心過剰(GCE)は、5–60 GeVの消えるニュートリノがb¯bまたはτ¯τへ対消滅することによって説明され、⟨σv⟩ ≈ (1–3)×10⁻²⁶ cm³/sである。
• 750 GeVの二光子過剰は、質量mΦ ≈ 750 GeVの新しいスカラーΦによって説明され、ループ誘導過程を通じて光子と結合する。
• バリオン非対称性は、mN2,3 ~ 5–60 GeVの消えるニュートリノを含む共鳴的単一フェルミオン振動によって生成される。
• このモデルは、ニュートリノ無双崩壊の有効なメジャー質量を予測し、正の階層においてmββ ≈ 5×10⁻² eVである。
• このモデルは宇宙論的制約と整合的であり、将来的なEµ、Φ、およびX線およびガンマ線帯域における消えるニュートリノ信号の探索によって検証可能である。