[論文レビュー] Multi-component Dark Matters in Two Loop Neutrino Model

Yuji Kajiyama, Hiroshi Okada+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 44被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、TeVスケールのU(1)_{B-L}ゲージ対称性を有する二ループニュートリノ質量モデルを提案する。このモデルは、軽いニュートリノ質量を二ループで生成するとともに、右手型ニュートリノが一ループで質量を獲得する。重ねて、リlic界密度、レプトンフラバー違反制約、XENON100直接検出限界と整合する10 GeVおよび100–1000 GeVの二つのフェルミオン的ダークマター成分を予測する。今後のXENON実験による検証が可能である。

ABSTRACT

We construct a loop induced seesaw model in a TeV scale theory with gauged U(1)_{B-L} symmetry. Light neutrino masses are generated at two-loop level and right-handed neutrinos also obtain their masses by one-loop effect. Multi-component Dark Matters (DMs) are included in our model due to the remnant discrete symmetry after the B-L symmetry breaking and the Z_2 parity which is originally imposed to the model. We investigate the multi-component DM properties, in which we have two fermionic DMs with different mass scales, O(10) GeV and O(100-1000) GeV. The former mass corresponds to the lightest right-handed neutrino mass induced by the loop effect, although the latter one to the SM gauge singlet fermion. We show each of the DM annihilation processes and compare to the the observation of relic abundance, together with the constraints of Lepton Flavor Violation (LFV) and active neutrino masses. Moreover we show that our model has some parameter region allowed by the direct detection result reported by XENON100, and it is possible to verify the model by the future XENON experiment.

研究の動機と目的

• TeVスケールのゲージ化U(1)_{B-L}対称性を有するモデルを構築し、軽いニュートリノ質量を二ループレベルで生成すること。
• 同一のフレームワーク内で右手型ニュートリノ質量の起源を一ループメカニズムによって説明すること。
• B-L対称性の破れ後に残る離散的対称性とZ_2パリティを介して、マルチコンポーネントダークマターを統合すること。
• 観測されたリlic界密度、レプトンフラバー違反制約、およびアクティブニュートリノ質量と整合すること。
• XENON100直接検出結果との整合性を評価し、今後のXENON実験での検証可能性を予測すること。

提案手法

• ヒッグスおよびゲージボソンの交換を介した二ループスイープ機構を用いて、軽いニュートリノ質量を生成する。
• B-Lゲージボソンとヒッグス場を介した一ループダイアグラムを用いて、右手型ニュートリノが質量を獲得する。
• 二つのフェルミオン的ダークマター候補（一つは最軽い右手型ニュートリノから、もう一つは標準模型ゲージシングレットフェルミオンから）を安定化させるためにZ_2パリティを導入する。
• U(1)_{B-L}対称性の破れ後に残る離散的対称性を活用し、両方のダークマター成分の安定性を保護する。
• ダークマターの消失断面積を計算し、プランクデータから得られる観測されたリlic界密度と比較する。
• μ→eγやτ→μγなどのレプトンフラバー違反過程からの制約を適用し、観測されたアクティブニュートリノ質量スケールに一致させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TeVスケールのU(1)_{B-L}対称性を有する二ループスイープ機構は、観測された軽いニュートリノ質量を生成しつつ、右手型ニュートリノが一ループで質量を獲得できるか？
• RQ2 このモデルから生じる二つのフェルミオン的ダークマター成分の性質と質量スペクトルは何か？
• RQ3 このモデルにおけるダークマター消失過程は、観測されたダークマターのリlic界密度とどのように比較できるか？
• RQ4 レプトンフラバー違反およびニュートリノ質量測定からの現在の制約を満たすモデルのパラメータ領域はどこか？
• RQ5 このモデルはXENON100直接検出結果と整合するか？また、今後のXENON実験で検証可能か？

主な発見

• モデルは、観測された約0.1 eVのスケールと整合する二ループレベルで軽いニュートリノ質量を実現する。
• 右手型ニュートリノはB-Lゲージボソンとヒッグス場を介した一ループダイアグラムにより質量を獲得し、その中で最も軽いものはO(10) GeVのスケールをとる。
• 二つの安定なフェルミオン的ダークマター候補が出現する：一つは最軽い右手型ニュートリノから生じるO(10) GeVの成分、もう一つはゲージシングレットフェルミオンから生じるO(100–1000) GeVの成分。
• 宇宙論的測定から得られる観測された値と一致するダークマターのリlic界密度を予測できるパラメータ領域がモデルに存在する。
• μ→eγやτ→μγなどのレプトンフラバー違反過程からの制約が、モデルのパラメータ空間内で満たされている。
• モデルはXENON100直接検出結果と整合し、今後のXENON実験がモデルを探索し、実際に検証できる可能性がある。