[論文レビュー] From dark matter to neutrinoless double beta decay

Pei-Hong Gu|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、TeVスケールのダークマターfermion（SU(2)_L 三重項の一部）が、2つのTeVスケールのレプトクォークスカラーズを介して1ループレベルでニュートリノ非対称二重ベータ崩壊を媒介する統一的モデルを提案する。このモデルは、3ループおよび5ループレベルで電子ボルト未満のニュートリノ質量を同時に生成し、直接検出実験でテスト可能なスピン不変のダークマター-核子散乱断面積（約10⁻⁴⁵ cm²）を予測するとともに、バーリオン生成が100 GeV未塔の温度以下に制限されることを示す。

ABSTRACT

Associated with two TeV-scale leptoquark scalars, a dark matter fermion which is the neutral component of an isotriplet can mediate a testable neutrinoless double beta decay at one-loop level. The dark matter fermion with determined mass and spin-independent scattering can be verified by the future dark matter direct detection experiments. We also discuss the implications on neutrino masses and baryon asymmetry.

研究の動機と目的

• ダークマターfermionが、see-sawメカニズムを経由せず、直接的にニュートリノ非対称二重ベータ崩壊を媒介するメカニズムを提案すること。
• 3ループおよび5ループの高次ループ図を介して、重い右巻きニュートリノを必要とせずに、電子ボルト未満のニュートリノ質量を生成すること。
• Z₂対称性により、ダークマター候補が安定で、残存密度と整合的であり、質量が約2.4 TeVであることを保証すること。
• レプトン数を破る過程が、バーリオン生成の温度を約100 GeV未塔に制限すること。
• 将来の直接検出実験で測定可能なスピン不変のダークマター-核子散乱断面積（約10⁻⁴⁵ cm²）を予測すること。

提案手法

• Z₂奇性を示すSU(2)_L 三重項フェルミオン（T_L）と2つのSU(2)_L ダブルレプトクォークスカラーズ（ηとξ）を導入し、ηはクォークとT_Lに結合し、ξはレプトンとダウン型クォークに結合する。
• Z₂離散対称性を導入し、T_Lとηのみが奇性であるように設定することで、ダークマターの安定性と2単位のレプトン数破れを保証する。
• T⁰ ダークマターfermionとレプトクォークスカラーズηを介する1ループ図を用いて、ニュートリノ非対称二重ベータ崩壊を媒介し、振幅は(f h†)²およびM_T⁰/M_η²に比例する。
• Yukawa結合（f, h, λ）を含む図を用いて、3ループおよび5ループレベルでニュートリノ質量を生成し、主要寄与は(λ f h†) × M_T⁰ / M_η²に比例する。
• ゲージおよびYukawa散乱断面積を用いてT⁰の残存密度を計算し、観測されたダークマター密度に一致するようにM_T⁰ ≈ 2.4 TeVを固定する。
• レプトン数破れ過程（例：0νββ）が平衡から外れる温度を推定し、バーリオン生成のスケールに下限を設定（約100 GeV）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TeVスケールのレプトクォークスカラーズを介して、ダークマターfermionが1ループレベルで直接ニュートリノ非対称二重ベータ崩壊を媒介できるか？
• RQ2 同じダークマターfermionが、3ループおよび5ループの高次ループ図を介して、重い右巻きニュートリノを必要とせずに電子ボルト未満のニュートリノ質量を生成できるか？
• RQ3 予測されるダークマター-核子スピン不変散乱断面積は何か？ そして、将来の直接検出実験で測定可能か？
• RQ4 レプトン数破れ過程（例：0νββ）が無効になる温度はどの程度で、それが宇宙論的バーリオン非対称性生成の制限をどのように与えるか？
• RQ5 Z₂対称性が、このモデルにおけるダークマターの安定性と、レプトン数破れ過程のスケーリング階層をどのように制御するか？

主な発見

• ダークマターfermionは、SU(2)_L 三重項のニュートラル成分として特定され、観測された残存密度を再現するため、予測される質量は約2.4 TeVである。
• ニュートリノ非対称二重ベータ崩壊の振幅は、Z₂奇性を持つレプトクォークスカラーズηとダークマターfermion T⁰の交換を介する1ループ図によって生成され、Yukawa結合と質量比に依存する。
• ニュートリノ質量は3ループおよび5ループレベルで生成され、主要寄与は(λ f h†) × M_T⁰ / M_η²に比例し、M_η = 3M_T⁰の場合、最大で約0.8 eVの質量が得られる。
• スピン不変のダークマター-核子散乱断面積は約10⁻⁴⁵ cm²と予測され、次世代の直接検出実験で検出可能である可能性がある。
• モデルは、レプトン数破れ過程（例：0νββ）が約100 GeVで平衡から外れることを予測し、バーリオン生成がこの温度未塔に制限されることを示す。
• 現在のループ誘導質量行列がランク1であるため、ニュートリノ振動データと整合するには、追加のニュートリノ質量源（例：see-sawメカニズム）の導入が必要である。