[論文レビュー] 7 keV sterile neutrino Dark Matter in extended seesaw framework

Sudhanwa Patra, Prativa Pritimita|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 31被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、拡張されたスイープフレームワーク内での7 keVのステアイルニュートリノを、ダークマター候補として提案している。ここで、放射性崩壊によって発生する光子とアクティブニュートリノの組み合わせが、銀河団で観測された3.5 keVのX線線を説明する。モデルは、必要なステアイルニュートリノの質量と混合角（約10⁻⁵）をうまく満たしており、シャイ＝フルーラー機構による再び生成された密度と一致する長寿命なダークマターを保証する。

ABSTRACT

The appearance of a $3.5$ keV photon line in the X-ray spectra of Andromeda galaxy and other galaxy clusters including the Perseus galaxy can be interpreted as the signal of a $7$ keV sterile neutrino dark matter candidate as one of the plausible explanations. We present here a novel framework of extended seesaw mechanism where the lightest sterile neutrino acts as a Dark Matter candidate and its decay into a photon and an ordinary neutrino accounts for the excess 3.5 keV X-ray line. For implementing the idea, we add two different types of neutral fermion singlets ($S_L$, $N_R$) to the SM light neutrino $ν_L$ so that the light neutrino mass is governed by generic linear seesaw formula. We discuss the complementarity constraints on the model parameters including sterile-active neutrino mixing angle within the extended seesaw framework. Favorably, this framework can be embedded in a $SO(10)$ grand unified theory.

研究の動機と目的

• アンドロメダ銀河団および他の銀河団で観測された3.5 keVのX線線過剰を、7 keVのステアイルニュートリノダークマター候補の崩壊によって説明すること。
• 必要な質量と混合角を持つ軽いステアイルニュートリノを生成可能な、具体的には拡張されたスイープ機構を含む妥当な素粒子物理学的枠組みを構築すること。
• ステアイルニュートリノが宇宙論的制約と整合的に、現在の時代まで存続可能なほどに安定であることの保証。
• 宇宙の観測されたエネルギー密度の25％に一致するダークマターの再び生成された密度を達成すること。
• 理論的整合性を高めるために、特にSO(10)を用いたグランドユニフィケーション理論（GUT）に埋め込むこと。

提案手法

• 標準模型に2種類のステアイルフェルミオンシングレット（S_L および N_R）を導入し、メジャノワ質量項を含む拡張された線形スイープフレームワークを構築する。
• （ν_L, N_R, S_L）基底における（9×9）ニュートリノ質量行列を構築し、ディラック質量（M_D）、重いステアイル混合（M）、および大きな右巻きメジャノワ質量（M_R）を組み込む。
• 重いN_R状態をスイープ機構によって統合し、軽いステアイルニュートリノS_1の有効質量および混合項を導出する。
• 有効ラグランジアンとループレベル計算を用いて、7 keVのステアイルニュートリノが光子とアクティブニュートリノに放射性崩壊する幅を導出する。
• ドデルソン＝ウィドロウおよびシャイ＝フルーラー機構を用いて、ステアイルニュートリノの再び生成された密度を計算し、Ω_DMh² ≈ 0.119と一致することを確認する。
• X線観測からの実験的制約を適用し、ステアイル-アクティブ混合角が sin²2θ ≤ 1.2×10⁻⁵ (m_S/keV)⁻⁵ であることを制限する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 放射性崩壊幅が3.5 keVのX線線を生成する7 keVのステアイルニュートリノダークマター候補が、拡張されたスイープモデルに一貫して埋め込まれるか。
• RQ2 X線線を説明しつつ、宇宙論的時間スケールで安定であるために必要な混合パラメータ（質量および混合角）は何か。
• RQ3 ステアイルニュートリノの再び生成された密度は、観測されたダークマター密度とどのように比較されるか。また、熱的または非熱的生成によって達成可能か。
• RQ4 2つのステアイルフェルミオンを含む拡張されたスイープフレームワークは、keVスケールのダークマター候補に必要な質量スケールと混合を自然に生成できるか。
• RQ5 モデルは、特にSO(10) GUTフレームワークにおいて、グランドユニフィケーションと整合的か。

主な発見

• モデルは、X線制約と整合的で、観測された3.5 keVのX線線を放射性崩壊によって生成可能な、sin²2θ ≈ 10⁻¹⁰の7 keVのステアイルニュートリノを予測する。
• ステアイルニュートリノの放射性崩壊幅は約9.47×10⁻⁵⁶ GeVと推定され、寿命は約6.2×10²⁷秒に達し、長期的安定性を保証する。
• 3体崩壊の寿命は約4.5×10²⁸秒、放射性2体崩壊の寿命は約6.9×10³⁰秒であり、いずれも宇宙の年齢を上回る。
• シャイ＝フルーラー機構による再び生成された密度の計算から、m_S₁ = 7 keVおよびsin²2θ ≈ 10⁻¹⁰の条件下でΩ_S h² ≈ 0.119が得られ、観測されたダークマター密度と一致する。
• M_R > 10⁹ GeVの高エネルギースケールのスイープ機構を許容でき、同時にレプトゲネシスによって物質-反物質非対称性を説明可能である。
• このフレームワークはSO(10)グランドユニフィケーション理論内に実現可能であり、説得力のあるUV完備化を提供する。