[論文レビュー] A Model of Neutrino Mass and Dark Matter with an Accidental Symmetry

Amine Ahriche, Kristian L. McDonald+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、電磁的ニュートリノ質量モデルを提唱し、明示的な新しい対称性を必要とせず、同時にニュートリノ質量と安定なダークマター（DM）候補を説明する偶然的 $Z_2$ 対称性を備えている。DMはセプティレットフェルミオンのニュートリノ成分であり、質量は約20–25 TeVである。一方、モデルはコライダーで観測可能なTeVスケールの荷電スカラーを予測し、3世代のフェルミオンによってレプトンフラバー違反を抑制し、現在の実験的制約と整合している。

ABSTRACT

We present a model of radiative neutrino mass that automatically contains an accidental $Z_2$ symmetry and thus provides a stable dark matter candidate. This allows a common framework for the origin of neutrino mass and dark matter without invoking any symmetries beyond those of the Standard Model. The model can be probed by direct-detection experiments and $μ ightarrow e+γ$ searches, and predicts a charged scalar that can appear at the TeV scale, within reach of collider experiments.

研究の動機と目的

• 標準模型の枠組み内でニュートリノ質量とダークマターの起源を統一し、明示的な新しい対称性を避けること。
• ダークマターの安定性が基本的な $Z_2$ 対称性からではなく、放射的ニュートリノ質量モデルにおける偶然的 $Z_2$ 対称性から生じるメカニズムを特定すること。
• 低エネルギー制約、特にレプトンフラバー違反、ミュオンの異常磁気モーメント、および残存密度と整合していることを保証すること。
• ソモフィールド増幅効果の下でのモデルの妥当性を検討し、ダークマターおよび異常スカラーの必要質量スケールを評価すること。

提案手法

• モデルは、標準模型に荷電スレートスカラー $S^+$、スカラー7重項 $\phi$、および3つの実数の7重項フェルミオン $\mathcal{F}_i$ を追加し、特定のハイパーチャージを有する $SU(2)_L \times U(1)_Y$ に従う。
• ニュートリノ質量は、KNTモデルに類似した図式トポロジーを有する3ループレベルで生成され、$\mathcal{F}_i$ フェルミオンと $\phi$ スカラーがループを媒介する。
• フェルミオン質量行列の構造と電荷割り当てから偶然的 $Z_2$ 対称性が出現し、$\mathcal{F}_i$ の最も軽い成分が安定で、ダークマター候補として機能する。
• モデルには、$\mathcal{F}_i$ と標準模型レプトン間のヤクバカップリング $g_{i\alpha}$ と、$\phi$ と標準模型荷電レプトン間の $f_{\alpha\beta}$ カップリングが含まれ、これらはレプトンフラバー違反を生成する。
• ニュートリノ振動データ、残存密度制約、$\mu \to e + \gamma$ の上限を満たすために数値スキャンが実施され、ソモフィールド増幅効果はDM質量の再スケーリングによって近似される。
• スカラーポテンシャル $V(H, S, \phi)$ は真空を安定化させ、異常場の質量を生成すると仮定され、妥当な領域では $M_\phi \sim 20$ TeV および $M_S \sim 500$ GeV となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 放射的ニュートリノ質量モデルは、明示的な $Z_2$ 対称性を課さずに、自然に安定なダークマター候補を組み込むことができるか？
• RQ2 ニュートリノ振動データと残存密度制約を満たすために、異常フェルミオンおよびスカラーの妥当な質量およびカップリング範囲は何か？
• RQ3 レプトンフラバー違反過程、特に $\mu \to e + \gamma$ はモデルをどの程度制約し、現在の実験的上限と整合しているか？
• RQ4 ソモフィールド増幅効果は、必要なダークマター質量にどの程度影響を及ぼし、この補正のもとでもモデルが依然として妥当であるか？
• RQ5 モデルはTeVスケールの荷電スカラーを予測できるか？そして、将来のコライダー実験で観測可能か？

主な発見

• 偶然的 $Z_2$ 対称性を有する3ループレベルの放射的ニュートリノ質量生成が達成され、ダークマター候補が安定化される。
• 7重項フェルミオン $\mathcal{F}_i$ のニュートリノ成分であるダークマター候補の質量は19.7–23.1 TeVの範囲にあり、ソモフィールド増幅効果を考慮した場合、好ましい値は21.7 TeVである。
• スカラー7重項 $\phi$ は制約を満たすために19.9 TeVより重くなければならないが、荷電スカラー $S^+$ は約500 GeVまで軽く保てる。
• $\mu \to e + \gamma$ の分岐比は実験的上限より4–6桁も抑制されており、将来的な高感度実験でテスト可能である可能性がある。
• 3世代の $\mathcal{F}_i$ フェルミオンが、$\mu \to e + \gamma$ の制約を回避するために必要である。2世代のみでは制約に違反する。
• モデルはTeVスケールの荷電スカラーを予測し、将来的なコライダー実験で発見可能であり、観測された乖離と整合するミュオンの異常磁気モーメントにも一致する。