[論文レビュー] Freeze-in production of sterile neutrino dark matter in a gauged U$(1)^\prime$ model with inverse seesaw

Arindam Das, Sreetama Goswami+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 124被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、逆カスプの見せかけを用いたU(1)'モデルを提案し、冷凍生成メカニズムを通じて、軽いニュートリノ質量と不活性ニュートリノであるダークマター（DM）を同時に説明する。DMは、SM粒子のZ′-媒介散乱によって生成され、観測された残り滓密度を説明できる。また、DMの質量が約1 MeVを超え、Z′が重い場合、DMの崩壊による陽電子生成によって、はくちょう座の511 keVガンマ線線を説明できる。

ABSTRACT

We consider a general, anomaly free U$(1)^\prime$ extension of the Standard Model (SM) where the neutrino mass is generated at the tree level via the inverse seesaw mechanism. The model contains three right handed neutrinos, three additional singlet fermions, one extra complex scalar and a neutral gauge boson $(Z^\prime)$. Instead of resorting to a specific $U(1)$ extension, we consider a class of models by taking the $U(1)^\prime$ charges of the scalars to be free parameters. Here, we assign one pair of the pseudo-Dirac degenerate sterile neutrinos as Dark Matter (DM) candidates which are produced by the freeze-in mechanism. Considering different mass regimes of the DM, $Z^\prime$ and reheating temperature, we obtain constraints on the $U(1)^\prime$ charges giving the correct relic abundance. We have also obtained constraints on $Z^\prime$ mass and coupling from consideration of relic density as well as high energy collider experiments like ATLAS in case of heavy $Z^\prime$ or in intensity and lifetime frontier experiments like DUNE, FASERs, and ILC beam dump which are looking for light $Z^\prime$. Additionally, in this model, the decay of pseudo-Dirac DM into active neutrinos can explain the 511 keV line observed by the INTEGRAL satellite.

研究の動機と目的

• 単一の枠組み内で観測されたダークマターの残り滓密度と極めて小さい軽いニュートリノ質量を説明すること。
• 直接検出の厳しい制約に直面するWIMP DM候補の限界を克服すること。
• 具体的には、冷凍生成メカニズムを通じて生成される、不活性ニュートリノである非WIMP型DM候補を検討すること。
• 不活性ニュートリノDMが、はくちょう座からの511 keVガンマ線線を同時に説明できるかどうかを検証すること。
• DMの残り滓密度、真空安定性、摂動性、およびZ′ボソンのLHC探索による制約を用いて、モデルのパラメータを制約すること。

提案手法

• 軽いニュートリノ質量を実現するための逆カスプの見せかけを実現するため、3つの右手系ニュートリノと3つのゲージシングレットメジャノンフェルミオンを含む、SMのU(1)'拡張を導入する。
• 同一の質量を持つ不活性ニュートリノのペアをダークマター候補として割り当て、SM粒子のZ′-媒介散乱による冷凍生成によって生成する。
• Z′-媒介散乱振幅を用いて冷凍生成率を計算し、DMの生成量がZ′の質量、U(1)'ゲージ結合定数、および不活性-活性混合角に依存することを示す。
• フェルミの黄金律を用いて、不活性ニュートリノDMのνe⁺e⁻への崩壊幅を導出し、仮想WおよびZボソンの寄与を組み込む。
• DM崩壊からの511 keVガンマ線フラックスを評価し、m_N = 1 MeVの場合に|Vαi|² ≈ 5.44×10⁻²⁴の混合角が必要であることを導出する。
• LHCによる重いZ′の探索、真空安定性、摂動性、およびDMおよびニュートリノ崩壊に関する天体物理学的制約を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 逆カスプの見せかけを用いたU(1)'モデルは、軽いニュートリノ質量と有効な不活性ニュートリノダークマター候補を両方生成できるか？
• RQ2 冷凍生成メカニズムは、熱的平衡を必要としないまま、観測されたダークマターの残り滓密度を生成できるか？
• RQ3 不活性ニュートリノDMのe⁺e⁻への崩壊は、INTEGRALが観測した511 keVガンマ線線を説明できるか？
• RQ4 LHCによる重いZ′の探索、真空安定性、および摂動性の制約が、妥当なパラメータ空間をどのように形作るか？
• RQ5 将来の実験、例えばSHiPおよびFASERは、軽いZ′領域におけるDMの残り滓密度に一致するパラメータ空間をどの程度探査できるか？

主な発見

• m_N ≳1 MeVの不活性ニュートリノDMは、Z′がDMより重く、m_N = 1 MeVの場合に|Vαi|² ≈ 5.44×10⁻²⁴の混合角を満たす限り、はくちょう座からの511 keVガンマ線線を説明できる。
• m_N ≈ 1 MeVの場合、1 MeV ≤ m_N ≤ 70 MeVの範囲で、既存の実験的制約（X線サーベイやニュートリノ振動実験など）と整合的である。
• U(1)'ゲージ結合定数g′、Z′質量M_Z′、およびU(1)'電荷x_hとx_ϕのモデルパラメータは、DMの残り滓密度、真空安定性、摂動性を満たす必要があることから制約を受ける。
• TeVスケールのZ′の場合、LHCによるZ′共鳴状態の探索が、特にg′が大きい場合にパラメータ空間を顕著に制限する。
• 軽いZ′（10⁻⁴–100 GeV）の場合、DMの残り滓密度に一致するパラメータ空間の一部は、将来の寿命フロントエクスプローラーSHiPおよびFASERによって探査可能であり、特にU(1)_{B-L}モデルにおいて顕著である。
• 冷凍生成メカニズムは結合定数の強さに応じてDM生成量が増加するが、冷凍脱出メカニズムとは対照的であり、極めて弱い結合定数でも有効なDMの実現が可能である。