[논문 리뷰] Models of decaying FIMP Dark Matter: potential links with the Neutrino Sector

Laura Covi, Avirup Ghosh외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 28.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 56인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 절대 안정성이나 이산 대칭을 요구하지 않으며, 억제된 요카다 상호작용 또는 고차원 연산자를 통해 게이지화된 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 대칭을 통해 장수하는 붕괴하는 FIMP 암흑물질(DM)을 위한 프레임워크를 제안한다. 이는 중성미온 질량 생성과 DM 붕괴 역학 간의 직접적인 연결을 수립하여 자연스럽게 DM 붕괴율을 억제하고, 프리즈인을 통한 일관된 잔여 밀도를 확보하며, 천체물리학적 및 입자물리학적 제약 조건을 만족시킨다.

ABSTRACT

The absolute stability of a dark matter (DM) particle is not a binding requirement. Here we suggest a few scenarios where the DM particle is liable to decay via extremely feeble interactions. This can happen via inexplicably small Yukawa couplings in the simplest conjectures. After setting down such a model, we go beyond it, thus treading onto scenarios where the spontaneous breakdown of some gauged $U(1)$ symmetry may lead to intermediate scales, and suitably suppressed effective operators which allow the DM particle to decay slowly. The constraints from particle physics as well as cosmology are taken into account in each case. The last and more involved scenario, studied in detail, suggest a link between the model parameters that govern neutrino physics on one side, and the dynamics of a quasi-stable DM particle on the other.

연구 동기 및 목표

• 절대 안정성이나 이산 대칭을 요구하지 않는 붕괴 가능한 FIMP 암흑물질 모델을 구축하기.
• 미세한 DM 붕괴 결합 상수의 극도로 작은 크기를 정교한 조정 없이 자연스럽게 설명하기.
• 준안정한 암흑물질 후보의 역학과 중성미온 영역 간의 직접적인 연결을 수립하기.
• 천체물리학적 일관성, 이상치 없음, 현재의 중성미온 및 힉스 데이터와의 호환성 확보하기.
• 특히 벡터형 페르미온 붕괴와 전자 산란을 통한 콜라이더 및 직접 탐지 신호 탐색하기.

제안 방법

• 세 개의 SM 싱เก렛 메이조라나 페르미온 중 가장 가벼운 것으로 스핀-1/2 메이조라나 페르미온 DM 후보를 도입하기.
• DM과 벡터형 페르미온 쌍 $F$가 전하를 지닌 게이지화된 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 대칭을 도입하며, SM 렙톤은 $L_\mu - L_\tau$ 전하를 지닌다.
• SM 및 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 게이지 군에 대해 불변인 차수 5 및 6의 효과적 연산자 구성하기. 이들은 플랑크 스케일에 의해 억제된다.
• 약 10^8 GeV에서 스칼라 $\phi$를 통해 $U(1)$ 대칭을 자동으로 깨뜨리며, SM 렙톤과 어둠의 영역 간의 미세한 혼합 항을 생성하기.
• 이로 인해 발생하는 억제된 결합 상수를 통해 FIMP 생성(예: $F \to \psi + \phi$)과 DM 붕괴(예: $\psi \to \ell + \ell' + \ell''$)를 매개하기.
• DM 수명, 잔여 밀도, 중성미온 질량 합에서의 윌슨 계수 제약 조건을 계산하며, 이상치 및 콜라이더 신호 검증하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 절대 안정성이나 이산 대칭을 요구하지 않으면서 장수하는 FIMP 암흑물질 후보를 실현할 수 있는가?
• RQ2 미세한 DM 붕괴 결합 상수의 극도로 작은 크기를 정교한 조정 없이 자연스럽게 설명할 수 있는가?
• RQ3 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 게이지 대칭이 중성미온 질량 생성과 FIMP 암흑물질 역학 간의 연결에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 모델이 천체물리학적 제약 조건(잔여 밀도, 중성미온 질량 합), 콜라이더 현상학, DM 붕괴 관측 결과를 동시에 만족시킬 수 있는가?
• RQ5 미세한 이중 베타 붕괴나 DM 직접 탐지에서의 전자 산란을 탐색하는 미래 실험에 어떤 함의를 지니는가?

주요 결과

• $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 기반 모델은 비재규화 가능한 연산자를 통해 자연스럽게 억제된 DM 붕괴와 FIMP 생성을 가능하게 하며, 윌슨 계수의 정교한 조정을 피한다.
• 효과적 연산자들은 중성미온 질량 행렬에 기여하여, 플랑크 제약 조건 이내에서 중성미온 질량 합을 낮추면서도, 무이중베타붕괴의 상당한 확률을 가능하게 한다.
• 가장 낮은 $v_D$ 스케일에서, 중성미온 질량 행렬 내의 상쇄 효과는 CP 위상과 결합 위상을 연결하며, $0\nu\beta\beta$ 붕괴의 효과적 메이조라나 질량의 허용 범위를 상대적으로 큰 값으로 제한한다.
• 모델은 천체물리학적으로 일관되며 이상치 없이, $L_\mu - L_\tau$ 전하를 지닌 스칼라 $\phi$의 붕괴를 통한 타당한 FIMP 생성 메커니즘을 지닌다.
• 전자 산란을 통한 DM 직접 탐지 및 전자 전기 dipole moment 기여가 향후 실험의 감도 이하로 예측되어 모델이 타당하다.
• 벡터형 페르미온 쌍 $F$의 붕괴를 통해 콜라이더에서 관측 가능한 서명을 예측하여, 향후 탐색에 대한 검증 가능한 길을 제공한다.