[論文レビュー] Two loop Induced Dirac Neutrino Model and Dark Matters with Global $U(1)'$ Symmetry

Hiroshi Okada|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 21

ひとこと要約

本稿では、TeVスケールにおけるグローバルU(1)'対称性を有する二ループ放射型ディラックニュートリノ模型を提案する。自然に3つのダークマター候補（ディラックフェルミオンと2つのスカラー粒子）を含み、観測されたダークマターの残存密度およびLUXとPlanck/WMAPからの制約をうまく説明する。さらに、U(1)'の自発的対称性の破れから生じるゴールドストーン粒子によって、ニュートリノ種の有効数における乖離の可能性を説明する。

ABSTRACT

We propose a two loop induced Dirac type neutrino model at TeV scale. Subsequently, three types of dark matter particles; fermion and two bosons, are naturally introduced. Here we discuss to analyze two possibilities; two component dark matter scenario (Dirac fermion and complex boson) and single dark matter one (another real boson), comparing to current experimental data such as Planck/WMAP and LUX. We briefly mention the possibility to explain the discrepancy of the effective number of neutrino species reported by several experiments.

研究の動機と目的

• TeVスケールに自然にダークマター候補を組み込む二ループ放射型ディラックニュートリノ模型を構築すること。
• グローバルU(1)'対称性とその自発的対称性の破れによりダークマターを安定化させ、残りのZ2対称性を生じさせること。
• 二成分（フェルミオン＋複素スカラー）および単一成分（実スカラー）のダークマター状況を両方分析すること。
• 現在の宇宙論的および直接検出データ（Planck/WMAPおよびLUX）と整合性を保つこと。
• 観測されたニュートリノ種の有効数における乖離、ΔN_eff ≈ 0.36 ± 0.34 を、U(1)'の破れから生じるゴールドストーン粒子によって説明できる可能性を検討すること。

提案手法

• 標準模型にベクトル型単粒子フェルミオン（S_L, S_R）、メジャノンフェルミオン（N_R）、および新しいスカラー（η, χ₁, χ₂, Σ）を導入する。
• 木レベルでのニュートリノ質量を禁止し、ダークマターを安定化させるために、特定の電荷割り当てを持つグローバルU(1)'対称性を課す。
• 新しい粒子を含む二ループ図を用いて、ループ補正によって小さなディラックニュートリノ質量を生成する。
• U(1)'の対称性の破れ後に残るZ2対称性によりダークマターの安定性を保証し、奇数の最小質量粒子をDM候補とする。
• ボルツマン方程式を用いて残存密度を計算し、Planck/WMAPデータと比較する。
• ヒッグスポータル相互作用を介して直接検出断面積を評価し、LUXの限界を用いてパラメータを制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グローバルU(1)'対称性を有する二ループ放射型ディラックニュートリノ模型は、TeVスケールに自然に複数のダークマター候補を含めることができるか？
• RQ2 二成分（フェルミオン＋スカラー）および単一成分（スカラー）のダークマター状況は、観測された残存密度および直接検出制約をどの程度うまく満たすか？
• RQ3 U(1)'の破れから生じるゴールドストーン粒子によって、観測されたニュートリノ種の有効数における乖離ΔN_eff ≈ 0.36 ± 0.34 を説明できるか？
• RQ4 残存密度と直接検出境界を同時に満たすパラメータ範囲は何か？
• RQ5 ヤコビカップリングおよびスカラー相互作用ポテンシャルのパラメータは、ダークマター候補の妥当性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• カットオフがGUTスケールにあるとき、有効質量スケールが非常に小さく（約0.01 eV）なる二ループ機構により、ディラックニュートリノ質量が自然に生成される。
• 二成分ダークマター（Sとχ₁）は、独立で調整可能なカップリングのおかげで、観測された残存密度を満たし、LUXの直接検出限界とも整合する。
• 単一成分のボソン的ダークマター候補（χ₂I）は、妥当な残存密度を達成し、直接検出制約を満たす。v′ ~ 1 TeVの場合、四次カップリングが約O(0.5)である必要がある。
• 質量が約500 MeVで混合角αが小さいヒッグスに類似た状態（H）は、ΔN_effの約0.39の乖離を説明でき、PlanckおよびWMAPデータと整合的である。
• U(1)'の破れから生じるゴールドストーン粒子は、有効ニュートリノ自由度の過剰を説明できる可能性を有するが、m_h、m_H、v、v′、およびαを含む条件を満たす必要がある。
• 直接検出断面積は、sチャネルのヒッグス交換が支配的で、カップリングの小ささのおかげで抑制されるため、現在のLUX限界を回避できる。