[論文レビュー] Sterile neutrino dark matter production in presence of non-standard neutrino self-interactions: an EFT approach

Cristina Benso, Werner Rodejohann+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 47被引用数 16

ひとこと要約

本稿は、有効場理論（EFT）フレームワークを用いて非標準的ニュートリノ自己相互作用（NSSI）を組み込んだ、初期宇宙における不活性ニュートリノダークマター生成のDodelson-Widrowメカニズムを調査する。NSSI—特にスカラー、擬スカラー、軸性ベクトル型—は、keVスケールの不活性ニュートリノにおけるパラメータ空間を顕著に変化させ、混合角の許容領域を拡大し、将来的な実験（HUNTERフェーズ3など）による検出可能性を高める。一方で、構造形成制約とも整合的である。

ABSTRACT

Sterile neutrinos with keV-scale masses are popular candidates for warm dark matter. In the most straightforward case they are produced via oscillations with active neutrinos. We introduce effective self-interactions of active neutrinos and investigate the effect on the parameter space of sterile neutrino mass and mixing. Our focus is on mixing with electron neutrinos, which is subject to constraints from several upcoming or running experiments like TRISTAN, ECHo, BeEST and HUNTER. Depending on the size of the self-interaction, the parameter space moves closer to, or further away from, the one testable by those future experiments. In particular, we show that phase 3 of the HUNTER experiment would test a larger amount of parameter space in the presence of self-interactions than without them. We also investigate the effect of the self-interactions on the free-streaming length of the sterile neutrino dark matter, which is important for structure formation observables.

研究の動機と目的

• 非標準的ニュートリノ自己相互作用（NSSI）が初期宇宙における不活性ニュートリノダークマター生成に与える影響を調査すること。
• NSSIがkeVスケールの不活性ニュートリノの許容パラメータ空間、特に電子ニュートリノとの混合に与える影響を特定すること。
• NSSIがX線制約を緩和し、HUNTER、TRISTAN、ECHo、BeESTなどの将来的な実験による検出可能性を拡大できるかどうかを評価すること。
• 誘導されるNSSIが構造形成制約（特に自由流れ長の制約）と矛盾しないかを確認すること。
• 効果的場理論（EFT）を用いたモデルに依存しない解析により、メジャナ型ニュートリノのフレーバー対角NSSIを体系的に組み込むこと。

提案手法

• スカラー、擬スカラー、または軸性ベクトル粒子によって媒介されるフレーバー対角非標準的ニュートリノ自己相互作用（NSSI）をモデル化するため、有効場理論（EFT）形式を用いる。
• 高次元オペレーターを介して運動量依存項を含む有効ラグランジアンを導出し、結合定数をフェルミ定数（GF）に対して相対的にパrameter化する。
• 有限温度場理論を用いて、NSSIによる自己エネルギー補正を組み込んだ、アクティブニュートリノの温度依存熱ポテンシャルを計算する。
• NSSIが混合項と衝突項に与える影響を含む、半古典的ボルツマン方程式を解き、不活性ニュートリノの分布関数を求める。
• スカラー、軸性ベクトル、擬スカラーNSSIの有効ポテンシャル寄与（VS、VA、VP）を評価し、温度に比例してT⁴に比例することを示す。
• ニュートリノ分布関数のための運動量積分（J(f)n）を解析的に計算し、質量ゼロ極限における熱ポテンシャルの明示的表現を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非標準的ニュートリノ自己相互作用（NSSI）は、Dodelson-Widrow生成メカニズムにおけるkeVスケールの不活性ニュートリノダークマターのパラメータ空間をどのように変化させるか？
• RQ2 NSSIは、正しい残り滓密度が達成される範囲で、混合角（sin²2θ）と不活性ニュートリノ質量（ms）の許容領域をどの程度拡大できるか？
• RQ3 NSSIは、不活性ニュートリノ崩壊に対するX線制約を回避しつつ、HUNTERフェーズ3などの将来的な実験で検出可能な信号を残せるか？
• RQ4 誘導されるNSSIは、構造形成観測と矛盾するほど大きな自由流れ長を引き起こすか？
• RQ5 NSSIの組み込みは、TRISTAN、ECHo、BeEST、HUNTERなどの地上実験がkeVスケールの不活性ニュートリノを検出する感度にどのように影響するか？

主な発見

• スカラー、擬スカラー、軸性ベクトル型のNSSIは、不活性ニュートリノダークマターの許容パラメータ空間を顕著に拡大し、標準的なDodelson-Widrow状況よりも小さい・大きな両方の混合角を可能にする。
• NSSIによる熱ポテンシャルはT⁴に比例し、結合定数ϵに比例する。明示的表現は以下の通り：VS = −7√2π²GFϵS/(45m²φ)·ωT⁴、VA = −14√2π²GFϵA/(45m²φ)·ωT⁴、VP = −7√2π²GFϵP/(45m²φ)·ωT⁴。
• 不活性ニュートリノが全残り滓密度に部分的に寄与する「カクテル」ダークマター状況では、X線制約が緩和され、さらに検出可能なパラメータ空間が拡大される。
• HUNTERフェーズ3は、NSSIが存在する場合、標準的状況と比較してはるかに広いパラメータ空間を探索可能となり、発見可能性が向上する。
• 不活性ニュートリノの自由流れ長は、NSSIが過剰な運動量拡散を引き起こさないため、許容範囲内に保たれ、大規模構造観測と整合的である。
• モデルに依存しないEFTアプローチにより、NSSIが過剰なエネルギー損失や不安定性といった物理的に不適切な効果を引き起こさないことが確認され、将来的な実験比較のためのフレームワークが妥当であることが裏付けられた。