[論文レビュー] Two Loop Radiative Seesaw and X-ray line Dark Matter with Global U(1) Symmetry

Hiroshi Okada|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、ダークマターの崩壊から生じる7.1 keVのX線線分と、電子ボルト未塔のニュートリノ質量を同時に説明する、グローバルU(1)対称性を有する二ループ放射的ニュートリノ模型を提案する。この模型では、軽いダークマター候補（7.1 keV）が、非常に小さな結合を通してアクティブニュートリノと混合し、リlic密度はゴールドストーンボソン対への散乱により達成される。これにより、レプトンフラバー違反およびヒッグス粒子の非可視崩壊断面積に関するすべての制約を満たす。

ABSTRACT

We study a two loop induced radiative neutrino model with global $U(1)$ symmetry at 1 GeV scale, in which we explain the X-ray line at 7.1 keV of dark matter candidate reported by XMN-Newton X-ray observatory using data of various galaxy clusters and Andromeda galaxy. We also discuss Higgs sector, lepton flavor violation processes, and a physical Goldstone boson.

研究の動機と目的

• XMM-Newtonの銀河団およびアンドロメダからの観測で得られた7.1 keVのX線線分を、アクティブニュートリノと非常に小さな混合を示すダークマター候補によって説明すること。
• レプトンフラバー違反を引き起こさないグローバルU(1)対称性に整合する二ループ放射的見せかけのニュートリノ質量生成機構を構築すること。
• 自発的グローバルU(1)対称性の破れから生じるゴールドストーンボソン対への散乱によって、正しいダークマターの残存密度を達成すること。
• レプトンフラバー違反、レプトンユニバーサリティ、および標準模型のヒッグス粒子の非可視崩壊断面積に関する制約を満たすこと。
• ゴールドストーンボソンによる有効ニュートリノ種数および星のエネルギー損失に関する制約を回避することで、宇宙論的整合性を確保すること。

提案手法

• 標準模型に、三つのゲージシングレットメジャナナ粒子$N_R$、二つの単一電荷を有するシングレットスカラー$\chi_1^+, \chi_2^+$、および中性のシングレットスカラー$\varphi$を導入する。
• 木図式によるニュートリノ質量の抑制と、Zee-Babu型の図式による二ループによるニュートリノ質量生成を保証するため、非自明な電荷を持つグローバル$U(1)$対称性を課す。
• 標準模型に類似したヒッグス$\Phi$およびシングレットスカラー$\varphi$の真空期待値を仮定し、$v' \approx 1$ GeVとしてダークマター質量スケールを設定する。
• X線線分崩壊に必要な$\sin^2 2\theta \approx 10^{-10}$の混合角を生成するために、第一世代に対する非常に小さなヤコビ結合$g'$を導入する。
• ヤコビ結合および$M_N$の数値スキャンを実施し、LFV、ヒッグス非可視幅、および残存密度を含むすべての物性的制約を満たす。
• ゴールドストーンボソンによる$\Delta N_{\rm eff}$の寄与を計算し、95%信頼区間でプランクデータ（$\lesssim 0.33$）と整合的であることを示す。

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的見せかけのニュートリノ質量模型は、7.1 keVのX線線分と電子ボルト未塔のニュートリノ質量を同時に説明できるか？
• RQ2 7.1 keVの質量を持つダークマター候補が、ゴールドストーンボソン対への散乱によって正しい残存密度を達成できるか？
• RQ3 レプトンフラバー違反、レプトンユニバーサリティ、および非可視ヒッグス崩壊断面積が、モデルのパラメータに課す制約は何か？
• RQ4 特に有効相対的リレティビティ粒子種数$\Delta N_{\rm eff}$および星のエネルギー損失に関して、モデルは宇宙論的に整合的か？
• RQ5 ゴールドストーンボソンが存在するにもかかわらず、アキソン探索や他の宇宙論的制約と矛盾しないか？

主な発見

• モデルは、ダークマター候補がニュートリノと光子に崩壊するメカニズムにより、7.1 keVのX線線分を成功裏に説明でき、必要な混合角は$\sin^2 2\theta \approx 10^{-10}$である。
• ダークマターの残存密度は、熱的生成によってゴールドストーンボソン対への散乱により達成され、$v' \approx 1$ GeVおよび$m_{h_1} \approx 0.051$ GeVの条件下で観測されたダークマター密度と整合的である。
• 非可視ヒッグス崩壊断面積の制約は満たされており、$\Gamma_{\rm inv} \approx 0.0464$ GeVであり、実験的上限の0.2 GeVより著しく小さい。
• 数値スキャンにより、LFVおよびレプトンユニバーサリティを含むすべての制約を満たす506の有効な点が得られ、$M_N \in [10^{-5}, 10^{-4}]$ GeVおよびヤコビ結合$f, g \in [5 \times 10^{-3}, 0.1]$の範囲内である。
• 有効相対的リレティビティ粒子種数$\Delta N_{\rm eff} \approx 0.045$はプランクデータと整合的であり、ゴールドストーンボソンはベクトルカレントを介してのみ結合するため、宇宙ひもや星のエネルギー損失に関する制約を回避する。
• ニュートリノ質量の主な寄与は$\mathcal{O}(10^{-9})$ eVと推定され、観測された$\sim 0.01$ eVのスケールに比べて無視できるほど小さいため、二ループ機構が支配的でないことが確認された。