[論文レビュー] FImP Miracle of Sterile Neutrino Dark Matter by Scale Invariance

Zhaofeng Kang|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、消去ニュートリノと追加のシングレットスカラー S を持つ、標準模型のスケール不変拡張を提案する。コhenell-Weinberg機構により、S の電弱スケールの真空期待値が自然に生成される。同じ SN₁N₁ 頂点が、同時に keV スケールの消去ニュートリノダークマター質量と、フリーズインによる正しいリリック密度を説明し、3.55 keV のX線ラインを7.1 keV の N₁ がもたらすという「FImPの奇跡」を生じる。この奇跡は、3.55 keV のX線ラインを説明する可能性を有する。

ABSTRACT

The standard model (SM) with sterile neutrinos provides the simplest idea to understand nonzero neutrino masses. As a bonus, the lightest sterile neutrino $N_1$, even in the absence of a protective symmetry, can be a dark matter (DM) candidate provided that it is as light as the keV scale. We observe that if this idea is realized in the scale invariant SM, which may address the hierarchy problem, extra singlet scalars $S$ with nonzero vacuum expected value (VEV) should be introduced to give Majorana masses for the sterile neutrinos. Such a fact yields an attractive picture: Given $\langle S angle\sim $TeV via the Coleman-Weinberg mechanism, which is strongly favored by Higgs phenomenologies, the correct orders of DM mass (by dynamics instead of hand) and DM relic density (by freeze-in instead of oscillation) are surprisingly addressed by the same vertex $SN_1N_1$. This coincidence is an even stronger version of the WIMP miracle and dubbed as FImP miracle. Interestingly, a 7.1 keV $N_1$ with correct relic density, that can explain the recent 3.55 keV $X-$ray line, lies in the bulk parameter space of our model.

研究の動機と目的

• 標準模型にスケール不変性を導入することで、階層問題を解決すること。
• 保護対称性を必要としないまま、keVスケールの消去ニュートリノをダークマター候補として実現すること。
• フリーズインメカニズムを通じて、自然に正しいダークマターのリリック密度を生成すること。
• 観測された3.55 keVのX線ラインを、7.1 keVの消去ニュートリノの崩壊信号として説明すること。

提案手法

• コhenell-Weinberg機構により、非ゼロの真空期待値（VEV）を有する実スカラーSを導入する。
• S と消去ニュートリノ N₁ を追加することで、標準模型にスケール不変性を実装し、明示的な質量項が存在しないようにする。
• SN₁N₁ 相互作用頂点を用いて、消去ニュートリノのメジャナ質量を動的に生成する。
• S の崩壊から生じる N₁ の生成を通じて、フリーズインメカニズムによるダークマターのリリック密度を導出する。
• ⟨S⟩ ≈ TeV とすることで、ヒッグス物性と整合性を保つ。
• パラメータ空間を分析し、7.1 keV の N₁ が正しいリリック密度を生成し、3.55 keV のX線ラインを説明する領域を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スケール不変な標準模型の拡張は、明示的な質量項が存在しない状況でも、keVスケールの消去ニュートリノダークマター候補を自然に生成できるか？
• RQ2 消去ニュートリノ質量を生成する同じ SN₁N₁ 頂点が、フリーズインを通じて正しいリリック密度を生成するのか？
• RQ3 このモデルにおいて、観測された3.55 keVのX線ラインは、7.1 keVの消去ニュートリノの崩壊によって説明可能か？
• RQ4 コhenell-Weinberg機構は、ヒッグス物性と整合的である一方で、シングレットスカラー S に対して TeV スケールの VEV を自然に生成できるか？
• RQ5 ダークマター質量、リリック密度、X線ラインの制約を同時に満たす、モデルの妥当なパラメータ空間は何か？

主な発見

• 保護対称性を必要とせず、スケール不変性とコhenell-Weinberg機構により、keVスケールの消去ニュートリノダークマター候補が実現される。
• 同じ SN₁N₁ 項が、消去ニュートリノ質量を動的に生成するとともに、フリーズインメカニズムにより正しいリリック密度を生成する。
• 7.1 keV の消去ニュートリノで、正しいリリック密度が得られるのは、モデルの妥当パラメータ空間の大部分にわたる。
• このモデルでは、3.55 keV のX線ラインが、7.1 keV の消去ニュートリノの崩壊生成物として自然に説明できる。
• スカラー・シングレット S は、コhenell-Weinberg機構により TeV スケールの真空期待値を獲得し、ヒッグス物性と整合的である。
• 質量生成とリリック密度生成が、同一の頂点によって同時に達成されるという現象は、「FImPの奇跡」と呼ばれる。これは、WIMPの奇跡のより強い版である。