[논문 리뷰] Multi-component Dark Matters in Two Loop Neutrino Model

Yuji Kajiyama, Hiroshi Okada외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 44인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 TeV 스케일의 U(1)_{B-L} 게이지 대칭을 가진 두 루프 중성자 질량 모델을 제안하며, 빛중성자 질량은 두 루프 수준에서 생성되고 오른쪽으로 회전하는 중성자는 한 루프 수준에서 질량을 갖는다. 이 모델은 은하수적 잔여 밀도, 라이프톤의 편향 위반 제약 조건, XENON100 직접 탐지 한계와 일치하는 10 GeV 및 100–1000 GeV의 두 개의 페르미온성 어둠료 물질 성분을 예측하며, 향후 XENON 실험을 통해 검증 가능할 것으로 기대된다.

ABSTRACT

We construct a loop induced seesaw model in a TeV scale theory with gauged U(1)_{B-L} symmetry. Light neutrino masses are generated at two-loop level and right-handed neutrinos also obtain their masses by one-loop effect. Multi-component Dark Matters (DMs) are included in our model due to the remnant discrete symmetry after the B-L symmetry breaking and the Z_2 parity which is originally imposed to the model. We investigate the multi-component DM properties, in which we have two fermionic DMs with different mass scales, O(10) GeV and O(100-1000) GeV. The former mass corresponds to the lightest right-handed neutrino mass induced by the loop effect, although the latter one to the SM gauge singlet fermion. We show each of the DM annihilation processes and compare to the the observation of relic abundance, together with the constraints of Lepton Flavor Violation (LFV) and active neutrino masses. Moreover we show that our model has some parameter region allowed by the direct detection result reported by XENON100, and it is possible to verify the model by the future XENON experiment.

연구 동기 및 목표

• 두 루프 수준에서 빛중성자 질량을 생성할 수 있는 TeV 스케일의 게이지 U(1)_{B-L} 대칭을 가진 모델을 구축하는 것.
• 동일한 프레임워크 내에서 오른쪽으로 회전하는 중성자 질량의 기원을 한 루프 메커니즘으로 설명하는 것.
• B-L 대칭 붕괴 후 잔류 이산 대칭과 Z_2 대칭을 통해 다중 성분 어둠료 물질을 통합하는 것.
• 관측된 잔여 밀도, 라이프톤의 편향 위반 제약 조건, 활성 중성자 질량과의 일치를 확보하는 것.
• XENON100 직접 탐지 결과와의 호환성 평가 및 향후 XENON 실험에서의 검증 가능성 평가

제안 방법

• 헤이그스 및 게이지 보존의 교환을 통한 두 루프 시즈 메커니즘을 이용해 빛중성자 질량을 생성하는 것.
• B-L 게이지 보존과 헤이그스 필드를 포함한 한 루프 다이어그램을 통해 오른쪽으로 회전하는 중성자가 질량을 획득하도록 하는 것.
• 두 개의 페르미온성 어둠료 물질 후보를 안정화시키기 위해 Z_2 대칭을 도입하는 것 — 하나는 가장 가벼운 오른쪽으로 회전하는 중성자에서 유래하고, 다른 하나는 SM 게이지 싱เก릿 페르미온에서 유래한다.
• U(1)_{B-L} 대칭 붕괴 후 잔류 이산 대칭을 활용하여 두 어둠료 물질 성분의 안정성을 보호하는 것.
• 어둠료 물질의 상호작용 단면적을 계산하고 플랑크 데이터에서 관측된 잔여 밀도와 비교하는 것.
• μ→eγ 및 τ→μγ와 같은 라이프톤의 편향 위반 과정에서의 제약 조건을 적용하고 관측된 활성 중성자 질량 스케일과 일치시키는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TeV 스케일의 U(1)_{B-L} 대칭을 가진 두 루프 시즈 메커니즘은 관측된 빛중성자 질량을 생성할 수 있으며, 동시에 오른쪽으로 회전하는 중성자 질량을 한 루프 수준에서 제공할 수 있는가?
• RQ2 이 모델에서 잔류 대칭으로부터 유래된 두 페르미온성 어둠료 물질 성분의 성질과 질량 스펙트럼은 어떠한가?
• RQ3 이 모델에서 어둠료 물질 상호작용 과정은 관측된 어둠료 물질 잔여 밀도와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 모델의 어떤 매개변수 영역이 현재의 라이프톤의 편향 위반 및 중성자 질량 측정 제약 조건을 만족하는가?
• RQ5 이 모델은 XENON100 직접 탐지 결과와 호환되는가? 그리고 향후 XENON 실험에서 검증 가능할까?

주요 결과

• 모델은 관측된 약 0.1 eV 수준의 빛중성자 질량을 두 루프 수준에서 실현한다.
• B-L 게이지 보존과 헤이그스 필드를 포함한 한 루프 다이어그램을 통해 오른쪽으로 회전하는 중성자가 질량을 획득하며, 가장 가벼운 것은 약 O(10) GeV 수준이다.
• 안정된 두 개의 페르미온성 어둠료 물질 후보가 나타나며, 하나는 약 O(10) GeV 수준(가장 가벼운 오른쪽으로 회전하는 중성자에서 유래)이고, 다른 하나는 약 O(100–1000) GeV 수준(게이지 싱게릿 페르미온에서 유래)이다.
• 우주론적 측정에서 관측된 값과 일치하는 어둠료 물질 잔여 밀도를 예측할 수 있는 매개변수 영역이 모델에 존재한다.
• μ→eγ 및 τ→μγ와 같은 라이프톤의 편향 위반 과정에서의 제약 조건이 모델의 매개변수 공간 내에서 만족된다.
• 모델은 XENON100 직접 탐지 결과와 호환되며, 향후 XENON 실험에서 모델을 탐색하고 잠재적으로 검증할 수 있을 것으로 기대된다.