[論文レビュー] Models of decaying FIMP Dark Matter: potential links with the Neutrino Sector

Laura Covi, Avirup Ghosh+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 56被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、絶対安定性や離散的対称性を必要とせず、ゲージ化された $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 対称性を介して抑制されたヤコビ型結合または高次元オペレーターによって、長寿命で崩壊するFIMP暗黒物質（DM）のフレームワークを提案する。ニュートリノ質量生成とDM崩壊ダイナミクスの直接的な関連を確立し、自然なDM崩壊レートの抑制と、フリーズインによる一貫した残り滓密度を実現するとともに、宇宙論的および加速器実験の制約を満たす。

ABSTRACT

The absolute stability of a dark matter (DM) particle is not a binding requirement. Here we suggest a few scenarios where the DM particle is liable to decay via extremely feeble interactions. This can happen via inexplicably small Yukawa couplings in the simplest conjectures. After setting down such a model, we go beyond it, thus treading onto scenarios where the spontaneous breakdown of some gauged $U(1)$ symmetry may lead to intermediate scales, and suitably suppressed effective operators which allow the DM particle to decay slowly. The constraints from particle physics as well as cosmology are taken into account in each case. The last and more involved scenario, studied in detail, suggest a link between the model parameters that govern neutrino physics on one side, and the dynamics of a quasi-stable DM particle on the other.

研究の動機と目的

• 絶対安定性や離散的対称性に依存しない、実現可能な崩壊するFIMP暗黒物質のモデルを構築すること。
• 微細調整を避けるために、DM崩壊結合定数の極めて小さな値を自然に説明すること。
• 準安定な暗黒物質候補のダイナミクスとニュートリノ系の間の直接的な関連を確立すること。
• 宇宙論的整合性、異常自由性、および現在のニュートリノとヒッグス粒子のデータと的一致を保証すること。
• 特にベクトルレプリカフェルミオンの崩壊および電子散乱を通じた、加速器および直接検出のシグナルを探索すること。

提案手法

• 標準模型（SM）ノーカーのスピン-1/2メジャナフェルミオンとしてのDM候補を、3つのSMシングレットメジャナフェルミオンのうち最も軽いものとして導入する。
• DMおよびベクトルレプリカフェルミオンのダブルレット $F$ が電荷を持つように、$U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 対称性をゲージ化する。一方、SMレプトンは $L_\mu - L\_\tau$ 電荷を持つ。
• プランクスケールで抑制される次元5および次元6の有効オペレーターを構築し、SMおよび $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ ゲージ群の両方に不変となるようにする。
• スカラー $φ$ を用いて $U(1)$ 対称性を自発的に破壊し、$∼ 10^8$ GeV のスケールで、SMレプトンとダークセクター間の微小な混合項を生成する。
• 得られた抑制された結合定数を用いて、FIMP生成（$F \to \psi + \phi$）とDM崩壊（$ψ \to \ell + \ell' + \ell''$）を媒介する。
• DM寿命、残り滓密度、ニュートリノ質量和からのウィルソン係数の制約を計算し、異常および加速器信号のチェックを行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 絶対安定性や離散的対称性を必要とせずに、長寿命なFIMP暗黒物質候補を実現できるか？
• RQ2 微細調整を避けるために、DM崩壊結合定数の極めて小さな値を自然に説明できるか？
• RQ3 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ ゲージ対称性が、ニュートリノ質量生成とFIMP暗黒物質ダイナミクスをどのように結びつけるか？
• RQ4 宇宙論的制約（残り滓密度、ニュートリノ質量和）、加速器の素粒子物理学的性質、DM崩壊観測量を同時に満たせるか？
• RQ5 ニュートリノ無双ベータ崩壊やDM直接検出における電子散乱を探索する今後の実験にどのような意味を持つのか？

主な発見

• $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ スキームに基づくモデルは、非可逆的オペレーターを介して自然に抑制されたDM崩壊とFIMP生成を実現し、ウィルソン係数の微細調整を回避する。
• 有効オペレーターはニュートリノ質量行列に寄与し、プランク制約を超えないニュートリノ質量和を実現しつつ、ニュートリノ無双ベータ崩壊の顕著なレートを可能にする。
• 最低の $v_D$ スケールでは、ニュートリノ質量行列におけるキャンセルがCP位相と結合位相を関連させ、$0\nu\beta\beta$ 衰退における有効メジャナ質量の許容範囲を比較的大きい値に制限する。
• モデルは宇宙論的に整合的で異常自由であり、$L_\mu - L_\tau$ 電荷を持つスカラー $φ$ の崩壊を通じた実現可能なFIMP生成メカニズムを持つ。
• 電子散乱によるDM直接検出および電子電気双極子モーメントへの寄与が、将来の実験の感度以下に予測されるため、モデルは妥当である。
• ベクトルレプリカフェルミオンダブルレット $F$ の崩壊を通じて、加速器で観測可能なシグナルを予測しており、将来的な探索のための検証可能な道筋を提供する。