[논문 리뷰] Dirac dark matter in a radiative neutrino model

Hiroshi Okada, Yutaro Shoji|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 25.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 $Z_3$ 대칭 아래에서 두 개의 디르اك 중성미온과 두 개의 관성 힉스 두중자에 의해 실현되는 최소한의 복사 중성미온 질량 모형을 제안하며, 이는 디르락 어둠성물질(DM) 후보를 포함한다. 이 모형은 한 루프 프레임워크 내에서 중성미온 질량, DM 잔류 밀도, 렙톤 편미음 위반, 그리고 직접/간접 DM 탐지 제약 조건을 동시에 설명할 수 있으며, 0.2–10 TeV 범위의 DM 질량을 포함하는 광범위한 허용 가능한 매개변수 공간을 제공하며, $s$-wave 진동에 의해 우주선 양성자 과잉 현상을 설명할 가능성도 있다.

ABSTRACT

We propose a simple radiative neutrino mass scenario with a Dirac dark matter candidate, which is minimally realized by a Z3 symmetry. We introduce two Dirac neutrinos and two inert doublets. We demonstrate that the model has a large allowed region that satisfies the constraints from neutrino oscillation data, lepton flavor violations, direct/indirect detection of dark matter and dark matter relic density. We also propose an efficient parameterization of the neutrino Yukawa couplings, which reproduces a desired active neutrino mass matrix.

연구 동기 및 목표

• 모든 현재 실험적 제약 조건을 만족시키는 동시에 디르락 어둠성물질(DM) 후보와 함께 작동하는 최소한의 한 루프 복사 중성미온 질량 모형을 구축하는 것.
• 한 루프 복사 시즈 메커니즘 내에서 안정적이고 실현 가능한 디르락 DM 후보를 실현하는 데 도전하는 문제를 다루는 것.
• 관측된 중성미온 질량 행렬을 재현할 수 있는 효율적인 중성미온 요크 상수의 매개변수화 방법을 개발하는 것.
• 중성미온 진동 데이터, 렙톤 편미음 위반, 직접 및 간접 DM 탐지, 그리고 정확한 잔류 밀도를 만족시키는 타당한 매개변수 공간을 규명하는 것.

제안 방법

• 한 루프 수준에서 $Z_3$ 대칭 상호작용을 통해 중성미온 질량을 생성하기 위해 두 개의 디르락 중성미온($N_{1,2}$)과 두 개의 관성 힉스 두중자($H_1, H_2$)를 도입한다.
• 가장 가벼운 $N_1$이 디르락 DM 후보로 안정성을 확보하기 위해 $Z_3$ 대칭($\omega = e^{2\pi i/3}$)을 도입한다.
• 관측된 중성미온 질량 행렬과 혼합 각도를 효율적으로 재현하기 위해 중성미온 요크 상수의 새로운 매개변수화 방법을 사용한다.
• 전파 함수 $W_1$과 $W_2$를 포함하는 한 루프 자기에너지 도형을 사용하여 열적으로 평균화된 DM 진동 단면적을 $\nu\bar{\nu}$ 및 $\ell\bar{\ell}$ 최종 상태로 계산한다.
• 중성미온 진동 데이터, LFV 제약 조건(예: $\mu \to e\gamma$), 직접 탐지(XENON1T), 간접 탐지, 그리고 잔류 밀도($\Omega_{\rm DM}h^2 \approx 0.12$)와의 일치성을 검증하기 위해 매개변수 공간에 대한 수치적 스캔을 수행한다.
• 우주선 양성자 과잉 현상을 $s$-wave 지배적인 $\chi\bar{\chi} \to \ell\bar{\ell}$ 진동을 통해 설명하기 위해 브라이트-반즈 또는 쇼마펠트 효과와 같은 증폭 메커니즘을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 현재 중성미온 물리학 및 DM 현상학적 제약 조건을 만족시키는 최소한의 한 루프 복사 중성미온 질량 모형에 디르락 DM 후보를 포함시킬 수 있는가?
• RQ2 관측된 중성미온 질량 행렬과 혼합 각도를 효율적으로 재현하기 위해 중성미온 요크 상수는 어떻게 매개변수화할 수 있는가?
• RQ3 중성미온 진동 데이터, 렙톤 편미음 위반, 직접 및 간접 DM 탐지, 그리고 정확한 잔류 밀도를 만족시키는 타당한 매개변수 공간은 무엇인가?
• RQ4 모형은 $s$-wave 지배적인 DM 진동을 통해 관측된 우주선 양성자 과잉 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ5 DM의 디르락 성질이 $s$-wave 진동을 가능하게 하고 간접 탐지의 단면적을 증폭시키는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 모형은 중성미온 진동 데이터, 렙톤 편미음 위반, 직접 및 간접 탐지, 정확한 잔류 밀도를 모두 만족시키는 광범위한 허용 가능한 매개변수 공간을 보이며, 이는 전체 DM 질량 범위 0.2–10 TeV를 포함한다.
• 열적으로 평균화된 $\ell\bar{\ell}$ 최종 상태로의 진동 단면적은 DM의 디르락 성질 덕분에 $s$-wave 지배적이며, 낮은 속도에서 단면적을 증폭시킨다.
• 싱글릿 스칼라가 DM에 결합하는 메커니즘을 통해 우주선 양성자 과잉 현상(AMS-02, DAMPE, CALET에서 보고됨)을 설명할 수 있으며, 이 경우 브라이트-반즈 등 증폭 메커니즘이 도입된다.
• 광역역의 DM 질량 범위에서 $\Lambda$CDM 값($\Omega_{\rm DM}h^2 \approx 0.12$)에 맞는 DM의 잔류 밀도가 성공적으로 재현된다.
• 모형의 중성미온 요크 상수 매개변수화 방법은 현실적인 혼합 각도와 질량 분리와 함께 중성미온 질량 행렬을 체계적이고 효율적으로 재구성할 수 있도록 한다.
• 직접 탐지 제약 조건(XENON1T: $\sigma_{\rm SI} \lesssim 4.1 \times 10^{-47}~{\rm cm^2}$)과 렙톤 편미음 위반 제약 조건(예: $\mu \to e\gamma$)이 허용 영역 내에서 만족된다.