[論文レビュー] Primordial black holes and lepton flavor violation with scotogenic dark matter

Teruyuki Kitabayashi|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 106被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、scotogenicなダークマターを介して、初期の原始的ブラックホール（PBH）密度とレプトンのフレーバー不変性の破れの間の関係を確立し、MEG II実験でμ→eγ崩壊が観測された場合、放射支配期にはO(TeV)のダークセクターに対してβ = ρPBH/ρrad ≲ 2×10⁻¹⁷ ≲ β ≲ 3×10⁻¹⁶ 、PBH支配期にはO(GeV)のダークマターに対して1×10⁻⁸ ≲ β ≲ 3×10⁻⁷ という制約が得られる。これらの制約は、PBHの蒸発生成物と観測されたダークマターの残存密度、およびMEG IIの感度限界を一致させることによって生じる。

ABSTRACT

We show that if the lepton flavor violating $\mu ightarrow e \gamma$ process is observed in the MEG II experiment, the initial density of primordial black holes (PBHs) can be constrained with the scotogenic dark matter. As a benchmark case, if the PBH evaporation occurs in the radiation dominated era, the initial density may be $2 imes 10^{-17} \lesssim \beta \lesssim 3 imes 10^{-16}$ for $\mathcal{O}$ (TeV) scale dark sector in the scotogenic model where $\beta= ho_{ m PBH}/ ho_{ m rad}$ is the ratio of the PBH density $ ho_{ m PBH}$ to the radiation density $ ho_{ m rad}$ at the time of PBH formation. As an other benchmark case, if PBHs evaporate in the PBH dominated era, the initial density may be $1 imes 10^{-8} \lesssim \beta \lesssim 3 imes 10^{-7}$ for $\mathcal{O}$ (GeV) scale dark matter with other $\mathcal{O}$ (TeV) scale particles in the scotogenic model.

研究の動機と目的

• 原始的ブラックホール（PBH）の初期密度とscotogenicダークマター模型におけるレプトンのフレーバー不変性の破れの相関を調査すること。
• 将来的なMEG IIの感度限界を用いて、μ→eγ分岐比に対するβ = ρPBH/ρrad の初期PBH密度を制約すること。
• 特に放射支配期およびPBH支配期において、ホーキング放射によるPBH蒸発がどのようにダークマターを生成するかを調査すること。
• MEG IIの感度、エントロピー生成効果、およびより広いパラメータ空間を含めたことで、先行研究を改善すること。

提案手法

• scotogenicモデルを用い、三つのZ₂奇性のメイジャー二アンフェルミオン（Nk）と複素スカラー二重項（η）を導入し、最も軽いN₁をダークマター候補とする。
• カサス＝イバラパrametrizationを用いて、1ループ誘導分岐比μ→eγを計算し、アモルプトはヤコビカップリング、質量、混合角に依存する。
• PBHの蒸発をホーキング放射によるダークマター生成としてモデル化し、観測されたダークマターの残存密度ΩDMh² = 0.12 ± 0.0009と一致させることで初期PBH密度βを制約する。
• PBH支配期のケースでは、PBH蒸発に伴うエントロピー生成を含め、残存密度の計算に影響を与える。
• mDM, M₃, m₀, λ の4つの自由パラメータの数値スキャンを実施し、MEG IIの予想される感度（6×10⁻¹⁴ ≤ BR(μ→eγ) ≤ 4.2×10⁻¹³）に基づいた制約を適用する。
• 放射支配期とPBH支配期を区別し、それぞれの時代とダークマター質量スケールに応じてβの制約が異なることを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MEG II実験でμ→eγ崩壊が観測された場合、原始的ブラックホールの初期密度β = ρPBH/ρrad にどのような制約を課せられるか？
• RQ2 PBH蒸発の時代（放射支配期対PBH支配期）が、scotogenicダークマター模型におけるβの許容範囲にどのように影響するか？
• RQ3 MEG IIの予想される感度を含めることで、scotogenicモデルのパラメータ空間およびPBH初期密度にどのような影響が生じるか？
• RQ4 PBH蒸発に伴うエントロピー生成が、PBH支配期におけるダークマターの残存豊度にどのように影響するか？
• RQ5 PBH由来の重い粒子（N₂, N₃, η）がダークマターに崩壊する場合、最終的な残存密度に与える影響は何か？また、これにより制約にどのような影響が生じるか？

主な発見

• MEG II実験でμ→eγ崩壊が観測された場合、O(TeV)スケールのダークセクターに対して、放射支配期では初期PBH密度βが2×10⁻¹⁷ ≲ β ≲ 3×10⁻¹⁶ に制限される。
• PBH支配期では、O(GeV)スケールのダークマターと他のO(TeV)スケールの粒子を含むscotogenicモデルにおいて、初期PBH密度は1×10⁻⁸ ≲ β ≲ 3×10⁻⁷ に制限される。
• PBH支配期では、PBH蒸発が残存密度の主因となるため、許容されるダークマター質量範囲が狭く：1.1 ≲ mDM [GeV] ≲ 3.4 となる。
• ベンチマークケースPBHD1（軽い質量）ではβ ≳ 2×10⁻⁹ が得られ、PBHD2（中間質量）では制約が得られないことから、質量スケールに強く依存することが示された。
• Min/MPl = 2×10¹³ の場合、PBHD6では1×10⁻⁸ ≲ β ≲ 3×10⁻⁷ 、PBHD7では7×10⁻¹⁵ ≲ β ≲ 2×10⁻¹⁴ が得られ、PBH質量スケールに敏感であることが示された。
• mDM ≈ 1 GeVの場合、温かいダークマター制約（Lyman-αバインド）を満たすために、Min/MPl ≳ 1×10¹⁰ を保守的に要請する。