[論文レビュー] Leptogenesis from Dark Matter Annihilations in Scotogenic Model

Debasish Borah, Arnab Dasgupta+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ダークマターの対消滅によって生成されるレプトン生成を実現する、スコトジェニックモデルの最小限の拡張を提案する。このメカニズムにより、5 TeVという非常に低いスケールでのレプトン生成が達成可能である。この機構は、バリオンとダークマターの密度の一致を同時に説明するとともに、直接検出実験およびレプトンフラバー違反実験において検証可能である。

ABSTRACT

We address the possibility of realising successful leptogenesis from dark matter annihilations in the scotogenic model of neutrino masses to explain the same order of magnitude abundance of dark matter and baryons in the present Universe. After showing that the minimal model in this category can not satisfy all these requirements, we study a minimal extension of this model and find that the scale of leptogenesis can be as low as 5 TeV, lower than the one in vanilla leptogenesis scenario in scotogenic model along with the additional advantage of explaining the baryon-dark matter coincidence. Due to such low scale, the model remains predictive at dark matter direct detection and rare decay experiments looking for charged lepton flavour violating processes.

研究の動機と目的

• スコトジェニックモデルの枠組み内で、宇宙におけるバリオンとダークマターの密度の一致を説明すること。
• 従来の熱的バスタッチプロセスではなく、ダークマターの対消滅がレプトン生成の源として機能しうるかを検討すること。
• レプトン生成とダークマターの残存密度の両方の制約を満たす、最小のスコトジェニックモデルの最小限の拡張を同定すること。
• 観測データおよび実験的制約と整合する、可能な限り低いレプトン生成スケールを同定すること。
• 本モデルがダークマター直接検出および電荷を帯びたレプトンフラバー違反過程において予測可能であるかを評価すること。

提案手法

• ダークマターの対消滅がレプトン数違反の最終状態を生成可能となるように、最小限の新しい場を導入することで、最小スコトジェニックモデルを拡張する。
• 凍結過程におけるレプトン非対称性およびダークマター密度の時間発展を記述するボルツマン方程式を解析する。
• ダークマターの対消滅によって生成される中間状態の非熱的崩壊を通じて生成されるレプトン非対称性を計算する。
• 観測されたバリオン密度対ダークマター密度比（ΩB/ΩDM ≈ 0.17）の制約を適用し、モデルのパラメータを固定する。
• 直接検出実験および希少な電荷を帯びたレプトンフラバー違反崩壊からの制約を用いて、モデルの妥当性を評価する。
• パラメータ空間のスキャンを実施し、成功したレプトン生成と適切な残存密度が共存する領域を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スコトジェニックモデルにおけるダークマターの対消滅が、観測されたバリオン非対称性を説明するのに十分なレプトン非対称性を生成できるか？
• RQ2 この状況下で達成可能な最小のレプトン生成スケールは何か？また、ヴァニラレプトン生成メカニズムと比較するとどうなるか？
• RQ3 このメカニズムは、観測されたバリオンとダークマターの残存密度の一致を自然に説明できるか？
• RQ4 本モデルは、ダークマター直接検出および電荷を帯びたレプトンフラバー違反過程にどのように制約を加えるか？
• RQ5 本モデルは、現在および将来のダークマターおよびレプトンフラバー違反の探査実験において予測可能か？

主な発見

• 最小スコトジェニックモデルでは、レプトン生成と正しいダークマター残存密度の両方を満たすことが、矛盾する制約のため失敗する。
• モデルの最小限の拡張により、5 TeVという非常に低いスケールでダークマターの対消滅によるレプトン生成が実現可能である。
• この低スケールでのレプトン生成は、観測されたバリオン対ダークマター密度比（約0.17）を自然に説明する。
• 新しい物理の低スケールであるため、直接検出実験においても本モデルは予測可能である。
• 電荷を帯びたレプトンフラワー違反過程、例えばμ → eγは、現在および将来の希少崩壊実験で検出可能である範囲にある。
• 本モデルは、バリオジェネシス、ダークマターの安定性、およびフラバー違反を、すべて低エネルギースケールで統一的な枠組みで説明する。