[논문 리뷰] Freeze-in production of sterile neutrino dark matter in a gauged U$(1)^\prime$ model with inverse seesaw

Arindam Das, Sreetama Goswami외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 28.

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한 줄 요약

이 논문은 경량 중성미온 질량과 비활성 중성미온 암흑물질(DM)을 동시에 설명하기 위해 역세우기 메커니즘을 갖춘 U(1)' 모델을 제안한다. DM은 SM 입자 간 Z′-중재된 산란을 통해 생성되며, 관측된 잔류 밀도를 설명할 수 있고, 그 질량이 약 ~1 MeV를 초과하고 Z′가 무거운 경우, DM의 붕괴에 의한 양전자로 인해 은하수 511 keV 감마선 선을 설명할 수 있다.

ABSTRACT

We consider a general, anomaly free U$(1)^\prime$ extension of the Standard Model (SM) where the neutrino mass is generated at the tree level via the inverse seesaw mechanism. The model contains three right handed neutrinos, three additional singlet fermions, one extra complex scalar and a neutral gauge boson $(Z^\prime)$. Instead of resorting to a specific $U(1)$ extension, we consider a class of models by taking the $U(1)^\prime$ charges of the scalars to be free parameters. Here, we assign one pair of the pseudo-Dirac degenerate sterile neutrinos as Dark Matter (DM) candidates which are produced by the freeze-in mechanism. Considering different mass regimes of the DM, $Z^\prime$ and reheating temperature, we obtain constraints on the $U(1)^\prime$ charges giving the correct relic abundance. We have also obtained constraints on $Z^\prime$ mass and coupling from consideration of relic density as well as high energy collider experiments like ATLAS in case of heavy $Z^\prime$ or in intensity and lifetime frontier experiments like DUNE, FASERs, and ILC beam dump which are looking for light $Z^\prime$. Additionally, in this model, the decay of pseudo-Dirac DM into active neutrinos can explain the 511 keV line observed by the INTEGRAL satellite.

연구 동기 및 목표

• 단일 프레임워크 내에서 관측된 암흑물질 잔류 밀도와 극히 작은 경량 중성미온 질량을 설명하기 위해.
• 엄격한 직접 탐지 제약 조건을 받는 WIMP DM 후보자들의 한계를 해결하기 위해.
• 특히 동결-인 메커니즘을 통해 생성되는 비-WIMP DM 후보자—구체적으로 비활성 중성미온—을 탐색하기 위해.
• 비활성 중성미온 DM이 은하중심에서 관측된 511 keV 감마선 선을 동시에 설명할 수 있는지 테스트하기 위해.
• DM 잔류 밀도, 진공 안정성, 유한성, LHC에서의 Z′ 보존 탐색 결과를 바탕으로 모델 매개변수를 제약하기 위해.

제안 방법

• 경량 중성미온 질량을 실현하기 위해 세 개의 오른쪽 수동 중성미온과 세 개의 게이지 싱귤레이터 메이저라 노르몬을 포함하는 SM의 U(1)' 확장 모델을 도입한다.
• 동결-인을 통해 SM 입자 간 산란을 Z′ 게이지 보손이 중재하는 방식으로 비활성 중성미온 두 개의 디제너레이트 쌍을 암흑물질 후보로 할당한다.
• Z′-중재된 산란 진폭을 사용하여 동결-인 생성률을 계산하며, DM 수확량은 Z′ 질량, U(1)' 게이지 결합 상수, 비활성-활성 혼합 각도에 따라 달라진다.
• 페르미의 금색 규칙을 사용하여 비활성 중성미온 DM의 붕괴 너비를 νe⁺e⁻로 도출하며, 비가속도 상태의 W 및 Z 보손 기여를 포함한다.
• DM 붕괴에 의한 511 keV 감마선 플럭스를 평가하고, m_N = 1 MeV일 때 |Vαi|² ≈ 5.44×10⁻²⁴의 필요 혼합 각도를 유도한다.
• LHC에서의 무거운 Z′ 탐색, 진공 안정성, 유한성, 암흑물질 및 중성미온 붕괴에 대한 천체물리학적 제약 조건을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 역세우기 메커니즘을 갖춘 U(1)' 모델이 경량 중성미온 질량과 타당한 비활성 중성미온 암흑물질 후보를 동시에 생성할 수 있는가?
• RQ2 동결-인 메커니즘이 열 평형을 요구하지 않고도 관측된 암흑물질 잔류 밀도를 생성할 수 있는가?
• RQ3 비활성 중성미온 DM의 e⁺e⁻ 붕괴가 INTEGRAL에 의해 관측된 511 keV 감마선 선을 설명할 수 있는가?
• RQ4 LHC에서의 무거운 Z′ 탐색, 진공 안정성, 유한성 제약 조건이 타당한 매개변수 공간을 어떻게 형성하는가?
• RQ5 미래의 실험인 SHiP와 FASER는 경량 Z′ 영역에서 DM 잔류 밀도에 의해 허용되는 매개변수 공간을 어느 정도 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• m_N ≳1 MeV인 비활성 중성미온 DM은 Z′ 질량이 DM보다 무거울 경우, 그리고 m_N = 1 MeV일 때 |Vαi|² ≈ 5.44×10⁻²⁴의 혼합 각도 조건을 만족할 경우 은하수 중심에서의 511 keV 감마선 선을 설명할 수 있다.
• m_N ≈ 1 MeV일 경우, 필요한 혼합 각도는 X선 조사 및 중성미온 진동 실험 등의 기존 실험 제약 조건과 일치하며, 1 MeV ≤ m_N ≤ 70 MeV 범위에서 유효하다.
• U(1)' 게이지 결합 상수 g′, Z′ 질량 M_Z′, U(1)' 전하 x_h 및 x_ϕ 등의 모델 매개변수는 DM 잔류 밀도, 진공 안정성, 유한성 조건을 충족시켜야 한다.
• TeV 스케일의 Z′일 경우, LHC에서의 Z′ 공명 탐색 결과는 특히 큰 g′일 경우 매개변수 공간을 상당히 제약한다.
• 경량 Z′(10⁻⁴–100 GeV) 영역에서는 DM 잔류 밀도와 일치하는 매개변수 공간이 향후 수명 영역 실험인 SHiP와 FASER에 의해 부분적으로 탐색 가능하며, 특히 U(1)_{B-L} 모델에서 그러하다.
• 동결-인 메커니즘은 결합 강도가 증가함에 따라 DM 수확량이 증가하는 반면, 동결-출구 메커니즘과는 대조적으로 매우 약한 결합으로도 타당한 DM 시나리오를 가능하게 한다.