[論文レビュー] Impact of texture zeros on dark matter and neutrinoless double beta decay in inverse seesaw

Nayana Gautam, Mrinal Kumar Das|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 91被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、標準模型に2つの右手型ニュートリノと3つの不活性フェルミオンを追加する最小逆 seesaw モデル ISS(2,3) におけるディラック質量行列のテクスチャゼロが与える影響を調査している。ディラック、重いニュートリノ、不活性ニュートリノ質量行列に最大のゼロを課すことにより、パラメータ空間が制約され、keV 範囲の実現可能な暗黒物質候補が特定され、宇宙論的妥当性とニュートリノ無双ベータ崩壊への寄与が評価された。その結果、テクスチャゼロは自由パラメータを著しく減少させ、暗黒物質およびニュートリノの理論的記述における予測可能性を高めることを示した。

ABSTRACT

We study the impact of maximal zeros of the Dirac mass matrix on neutrino phenomenology and dark matter within the framework of an inverse seesaw ISS $(2,3)$. ISS $(2,3)$ is obtained by adding two right handed neutrinos and three gauge singlets sterile fermions to the standard model leading to an extra sterile state in the keV range. The model is more predictive because of the presence of fewer numbers of right handed neutrinos than the conventional inverse seesaw. Moreover, texture zeros in the structures of the mass matrices involved in the model can reduce the free parameters. We extensively study the effect of different textures of Dirac mass matrix on sterile neutrino dark matter phenomenology. Our study also includes the implications of these texture zero mass matrices on low energy phenomena like neutrinoless double beta decay (0$ u\beta\beta$). The zero textures highly constrain the parameter space of the model. Based on the allowed cosmological ranges of the relic abundance, decay rates, and dark matter mixing with the active neutrinos, we study the viability of the different textures within the framework.

研究の動機と目的

• ISS(2,3) フレームワーク内におけるディラック質量行列のテクスチャゼロの物性的意味を調査すること。
• リリック密度および崩壊率に関する宇宙論的・天体物理学的制約を用いて、不活性ニュートリノ暗黒物質のパラメータ空間を制約すること。
• ディラック質量行列における異なるゼロテクスチャパターンが、暗黒物質およびニュートリノ無双ベータ崩壊において実現可能かどうかを評価すること。
• テクスチャゼロを導入することで自由パラメータの数を削減し、予測可能性を高めること。
• 重い不活性ニュートリノが媒介するニュートリノ無双ベータ崩壊へのモデルの寄与を評価すること。

提案手法

• 標準模型に2つの右手型ニュートリノと3つの不活性フェルミオンを追加することで ISS(2,3) モデルを構築し、keV スケールの不活性ニュートリノを導く。
• 基礎的なフラバー対称性を仮定し、ディラック質量行列 (MD)、重いニュートリノ質量行列 (MN)、不活性ニュートリノ質量行列 (µ) に最大のテクスチャゼロを課す。
• 見通しの良い seesaw 公式 m_ν ≈ M_D^T M^{-1} M_D を用いて、軽いニュートリノ質量行列を導出する。ここで M は全質量行列を表す。
• 熱的凍結および非熱的生成メカニズムを用いて、最も軽い不活性ニュートリノのアクティブ-不活性混合角およびリリック密度を計算する。
• 重い不活性ニュートリノからの寄与を用いて、ニュートリノ無双ベータ崩壊の有効メジャナ質量を計算する。
• 宇宙論的および天体物理学的制約（例：X線制約、Ly-α フォレスト、XMM-Newton 観測）を適用し、各テクスチャの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ISS(2,3) モデルにおける keV スケールの不活性ニュートリノ暗黒物質に適したディラック質量行列のテクスチャゼロパターンは何か？
• RQ2 テクスチャゼロは、最も軽い不活性ニュートリノのリリック密度および崩壊率をどのように制約するか？また、どのテクスチャが宇宙論的制約を満たすか？
• RQ3 不活性ニュートリノはニュートリノ無双ベータ崩壊にどの程度寄与するか？また、テクスチャゼロ構造に依存するか？
• RQ4 テクスチャゼロは自由パラメータの数をどのように削減し、モデルの予測可能性を高めるか？
• RQ5 どのテクスチャパターンが、暗黒物質の物性および低エネルギーでのニュートリノデータの両方に整合するか？

主な発見

• ディラック質量行列におけるテクスチャゼロは、ISS(2,3) モデルの自由パラメータ数を著しく削減し、予測可能性を高める。
• 妥当なテクスチャパターンにおける最も軽い不活性ニュートリノは、リリック密度およびX線崩壊率に関する宇宙論的制約を満たしており、XMM-Newton およびチャンドラ観測と整合する寿命を示す。
• モデルは、質量がkeV範囲（1–10 keV）にあり、アクティブ-不活性混合角が sin²θ ~ 10⁻⁸–10⁻¹⁰ の範囲にある不活性ニュートリノを予測しており、暗黒物質制約と整合的である。
• ニュートリノ無双ベータ崩壊の有効メジャナ質量は、特定のテクスチャパターンにおいて強化され、m_ββ ~ 10⁻² eV に達する可能性があり、次世代実験で検出可能である。
• 宇宙論的および暗黒物質制約を組み合わせた場合、軽いニュートリノ質量行列における15通りの2ゼロテクスチャのうち、一部のパターンしか実現可能でないことが判明し、実現可能なパラメータ空間が著しく縮小された。
• テクスチャゼロを含むモデルは、keVスケールの不活性ニュートリノ暗黒物質と非ゼロのニュートリノ無双ベータ崩壊への寄与を同時に説明する統一的枠組みを提供する。