[論文レビュー] Minimalistic scotogenic scalar dark matter

Ivania M. Ávila, Valentina De Romeri+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、複素スカラーシングレットおよびトリプレット場が $Χ_2$ 対称性に従ってニュートリノ質量を生成する最小限のスコトジェニックスカラー暗黒物質モデルを提案する。このモデルでは、最も軽い状態が弱い力で相互作用する巨大粒子（WIMP）としての暗黒物質を担う。モデルはニュートリノ振動データ、ヒッグス粒子の測定値、暗黒物質の残り質量関係、直接検出制約をうまく調和しており、軽い暗黒物質と観測可能なLHCモノジェット信号を有する、妥当なパラメータ空間を示している。

ABSTRACT

We reexamine the minimal Singlet + Triplet Scotogenic Model, where dark matter is the mediator of neutrino mass generation. We assume it to be a scalar WIMP, whose stability follows from the same $\mathbb{Z} _{2}$ symmetry that leads to the radiative origin of neutrino masses. The scheme is the minimal one that allows for solar and atmospheric mass scales to be generated. We perform a full numerical analysis of the signatures expected at dark matter as well as collider experiments. We identify parameter regions where dark matter predictions agree with theoretical and experimental constraints, such as neutrino oscillations, Higgs data, dark matter relic abundance and direct detection searches. We also present forecasts for near future direct and indirect detection experiments. These will further probe the parameter space. Finally, we explore collider signatures associated with the mono-jet channel at the LHC, highlighting the existence of a viable light dark matter mass range.

研究の動機と目的

• 標準模型の最小限の拡張を提案し、1つの $Χ_2$ 対称性によって同時にニュートリノ質量と暗黒物質を説明すること。
• ニュートリノ振動データ、ヒッグス粒子の測定値、暗黒物質制約と整合する妥当なパラメータ領域を特定すること。
• 近い将来の直接的および間接的暗黒物質検出実験の感度を予測すること。
• 特にLHCにおけるモノジェットチャンネルを含む、コライダーの断面積を探索してモデルのパラメータ空間を調査すること。

提案手法

• 標準模型にスカラー・シングレットおよびトリプレットを追加し、$Χ_2$ 対称性を導入することで、暗黒物質の安定性と放射的ニュートリノ質量生成を保証する。
• 理論的および実験的制約に基づいて、モデルのパラメータ空間をフル数値解析でスキャンする。
• ニュートリノ振動データ、ヒッグス信号強度、暗黒物質の残り質量密度（熱的凍結アウトによる）、直接検出限界（例：XENON1T）からの制約を適用する。
• 直接的および間接的検出実験の予想される実験的到達範囲を用いて、将来的な検出感度を予測する。
• LHCモノジェット断面積をシミュレートし、特に軽い暗黒物質に対して観測可能な信号領域を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラー・シングレットおよびトリプレットを有する最小限のスコトジェニックモデルにおいて、現在のニュートリノ振動およびヒッグスデータと整合するパラメータ空間はどの範囲か？
• RQ2 このモデルは観測された暗黒物質の残り質量密度および直接検出制約をどの程度満たしているか？
• RQ3 近い将来の直接的および間接的暗黒物質検出実験がアクセス可能なパラメータ空間の領域はどこか？
• RQ4 このモデルのコライダー断面積、特にLHCにおけるモノジェットチャンネルはどのような特徴を示すか？
• RQ5 すべての現在および将来の制約と整合する、妥当な軽い暗黒物質質量範囲は存在するか？

主な発見

• スカラー・シングレットが弱い力で相互作用する巨大粒子（WIMP）としての暗黒物質候補となり、観測された暗黒物質の残り質量密度と整合する、妥当なパラメータ空間が同定された。
• モデルは、$Χ_2$ 対称性を持つスカラー系の放射的生成によって、太陽ニュートリノと大気ニュートリノの両方の振動スケールをうまく再現している。
• XENON1Tからの直接検出制約が、特に重い暗黒物質質量に対して、パラメータ空間を顕著に制限している。
• 将来的な直接的および間接的検出実験は、残りの妥当なパラメータ空間の大部分を探索可能であると予測されている。
• LHCモノジェットチャンネルは、観測可能な信号が得られる有望な発見チャンネルであり、軽い暗黒物質質量に対しても信号が期待できる。
• すべての現在の制約と整合し、近い将来のコライダーおよび直接検出実験でアクセス可能な、妥当な軽い暗黒物質質量範囲が同定された。