[論文レビュー] Phenomenology of Majorons

Julian Heeck|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、MeV以上のエネルギーで検出可能な単一エネルギーのニュートリノ崩壊を示す、巨大なシングレットメジャーオンをダークマター候補として提案している。これは、電弱レプトンとループで誘導される光子への結合に加え、レプトンフレーバー不変性を破る結合を介して実現される。主な貢献は、ニュートリノ振動測定のみでは入手できない、見かけのスケールパラメータ $ m_D m_D^\tau $ と直接的に関連づけるメジャーオンの素性を明らかにしたことにある。

ABSTRACT

Majorons are the Goldstone bosons associated to lepton number and thus closely connected to Majorana neutrino masses. Couplings to charged fermions arise at one-loop level, including lepton-flavor-violating ones that lead to decays $\ell o \ell' J$, whereas a coupling to photons is generated at two loops. The typically small couplings make massive majorons a prime candidate for long-lived dark matter. Its signature decay into two mono-energetic neutrinos is potentially detectable for majoron masses above MeV.

研究の動機と目的

• 巨大なシングレットメジャーオンが検出可能な崩壊断面積を持つダークマター候補としての素性を調査すること。
• ニュートリノ振動測定では測定できない、見かけのスケールパラメータ $ m_D m_D^\tau $ とメジャーオン結合を結びつけること。
• 見せかけのスケール機構の探査として、$ \ell \to \ell' J $ 崩壊におけるレプトンフレーバー不変性の破れを調査すること。
• Borexino や Super-K などのニュートリノ検出器を用いた、$ J \to \nu_j \nu_j $ 崩壊による単一エネルギーのニュートリノ線の検出可能性を評価すること。
• 可視崩壊チャンネルとニュートリノ線探索の相補性を評価すること。

提案手法

• 複素スカラー単粒子を伴う $ U(1)_{B-L} $ 破れ見せかけのスケールモデルから、木図式および1ループのメジャーオン結合を導出する。
• 電弱レプトンおよびクォークへの1ループ結合をパラメータ化するため、次元なしの行列 $ K \equiv m_D m_D^\dagger / (v f) $ を用いる。
• ゲージ不変な図式とループ関数のサブセットを用いて、2ループ光子結合 $ \Gamma(J \to \gamma\gamma) $ を計算する。
• 初期宇宙におけるメジャーオンダークマターのフリーズイン生成メカニズムを適用し、MeV以上の質量領域に注目する。
• Borexino および KamLAND における逆ベータ崩壊を用いた $ J \to \nu\nu $ 崩壊の検出可能性を評価する。また、Super-K における $ \nu_\mu $ 検出も考慮する。
• Mu3e や Belle といった現在および将来の実験を用いて、レプトンフレーバー不変性を破る崩壊 $ \ell \to \ell' J $ からの制約を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 巨大なシングレットメジャーオンは、単一エネルギーのニュートリノへ崩壊する長寿命なダークマター候補として機能可能か？
• RQ2 メジャーオンが電弱フェルミオンへ結合する仕組みは、見かけのスケールパラメータ $ m_D m_D^\dagger $ とどのように関連しているか。また、ニュートリノ質量とは独立に測定可能か？
• RQ3 レプトンフレーバー不変性を破る崩壊 $ \ell \to \ell' J $ からの $ K_{\ell\ell'} $ に対する制約は何か。また、既存および将来の実験限界と比較するとどうなるか？
• RQ4 ニュートリノ検出器は、メジャーオン崩壊による単一エネルギーのニュートリノ線を観測可能か。また、メジャーオン質量における感度閾値は何か？
• RQ5 可視崩壊チャンネル $ J \to \ell\bar{\ell}, q\bar{q}, \gamma\gamma $ は、$ J \to \nu\nu $ と相補的であり、見せかけのスケールパラメータの探査に寄与するか？

主な発見

• 1ループレベルでのメジャーオン-電弱フェルミオン結合は、ニュートリノ質量とは独立に、見かけのスケールパラメータ行列 $ K = m_D m_D^\dagger / (v f) $ によって完全に決定される。
• レプトンフレーバー不変性の破れは、$ K_{\ell\ell'} $ の非対角成分を介して誘導され、現在の制約では $ |K_{\mu e}| \lesssim 10^{-5} $ および $ |K_{\tau\ell}| \lesssim \mathcal{O}(10^{-3}) $ である。
• $ J \to \nu_j \nu_j $ は木図式で支配的なチャンネルであり、その結果生じる単一エネルギーのニュートリノフラックスのフレーバー構成は、ニュートリノ質量階層に依存する：反転階層では約50％の電子フレーバー、通常階層では小さな電子成分を示す。
• Borexino や KamLAND といったニュートリノ検出器は、MeV以上のメジャーオン質量領域で $ J \to \nu\nu $ 崩壊を探索可能であり、ダークマター由来のニュートリノ線信号の検出に感度を持つ。
• $ m_J \sim \text{MeV} $ から $ 100\,\text{GeV} $ の範囲では、$ J \to \gamma\gamma $ や $ J \to \ell\bar{\ell} $ といった可視崩壊チャンネルが、$ J \to \nu\nu $ とは独立に $ K $ の制約を補完的に提供する。
• メジャーオン質量がMeV未満の場合、$ J \to \nu\nu $ が見えないため、$ J \to \gamma\gamma $ が最も有望な間接検出チャンネルとなる。