[論文レビュー] Extension of $ν$MSM model and possible explanations of recent astronomical and collider observations

Krishna Kulkarni|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、右手系の不活性ニュートリノと特異なヒッグススカラーを電荷に持つU(1)'ゲージ対称性を導入することでνMSMモデルを拡張し、3.5 keV X線線、銀河中心過剰、750 GeVの二光子過剰を統一的に説明する。同時に、見せかけのニュートリノ質量とバリオン非対称性は、スレーブ機構を用いて説明される。モデルは750 GeVのスカラーと、測定可能な混合を持つ不活性ニュートリノを予測する。

ABSTRACT

Here I present the extension to $ν$MSM model by adding a $U(1)'$ gauge symmetry under which right-handed fermions including sterile neutrinos and exotic Higgs scalar are charged. This model explains 3.5 keV line observed by XMM-Newton telescope as well as Galactic Center Excess(GCE) detected by Fermi-LAT satellite. The proposed model also accounts for recent diphoton excess of mass around 750 GeV produced in ATLAS and CMS detectors. Cosmological inconsistencies such as baryon asymmetry can also be explained. Verification of presented model is possible with current experimental techniques and limitations. Careful validation and analysis of the model needs to be done in future.

研究の動機と目的

• 複数の未解決な宇宙物理学的および衝突実験的観測を、一つの理論的枠組みで統一的に説明すること。
• 不活性ニュートリノの振動を用いて、バリオン非対称性のような宇宙論的不整合を解消すること。
• 小さな混合角を持つ7 keVの不活性ニュートリノの崩壊によって3.5 keV X線線を説明するメカニズムを提供すること。
• 光子への大きな結合を持つ新しいスカラー bosonによって750 GeVの二光子過剰を説明すること。
• 宇宙論的および実験的制約と整合的な形で、右手系不活性ニュートリノの質量と混合パラメータを制約すること。

提案手法

• 右手系不活性ニュートリノと特異なヒッグススカラーΦがU(1)'ゲージ対称性の下で電荷を持つように設定し、Φが真空期待値をとることで新しいゲージボソンEμに質量を与える。
• νMSMを拡張するラグランジアンを構築し、不活性ニュートリノの運動エネルギー項、標準模型ヒッグスとのヤコビ結合項、メジャナノ質量項、およびEμとの新しい相互作用項を含む。
• 質量制約を課す：mN₁ ≈ 7 keV（3.5 keV線のため）、mN₂ ≈ mN₃ ≈ 5–60 GeV（バリオジェネシスおよびGCEのため）、mΦ ≈ 750 GeV（二光子過剰のため）。
• 重い不活性ニュートリノとの混合を介して、スレーブ機構により軽いアクティブニュートリノ質量を生成する。
• ランダウ＝ヤン定理と有効光子結合演算子（cγγ/v ΦF²）を適用し、γγへの大きな分岐比を持つ二光子信号を説明する。
• 不活性ニュートリノの崩壊幅τDM ≈ 7.2×10²⁹ sec × [10⁻⁸/sin²(2θ)] × [1 keV/mDM]⁵ を導出し、3.5 keV線の説明に用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 U(1)'拡張νMSMモデルは、3.5 keV X線線、銀河中心過剰、750 GeVの二光子過剰を同時に説明できるか？
• RQ2 不活性ニュートリノがダークマターの崩壊とバリオン非対称性を説明するために必要な質量と混合パラメータは何か？
• RQ3 質量が約750 GeVの新しいスカラーΦは、強いグルーオン結合がなければ、顕著な二光子信号を生成できるか？
• RQ4 宇宙論的観測、ニュートリノ振動データ、CMBパワースペクトルから、モデルにどのような制約が生じるか？
• RQ5 現在の加速器および天体物理学的データを用いて、モデルは実験的に検証可能か？

主な発見

• 3.5 keV X線線は、混合角sin²(2θ) ≈ (2–20)×10⁻¹¹の7 keVの不活性ニュートリノ（N₁）の崩壊によって説明され、現在の観測制約と整合的である。
• 銀河中心過剰は、質量が約5–60 GeVで、高エネルギー光子を生成するのに十分短い寿命を持つより重い不活性ニュートリノ（N₂, N₃）の崩壊によって説明される。
• 750 GeVの二光子過剰は、質量mΦ ≈ 750 GeVで有効結合cγγ ≈ 0.16の新しいスカラーΦによって説明され、光子への大きな分岐比を示す。
• 7 keVの不活性ニュートリノの寿命は7.2×10²⁹秒に予測され、観測された3.5 keV線の放射度と崩壊率と整合的である。
• バリオン非対称性は、N₂およびN₃のシングレットフェルミオン振動によって生成され、そのデゲネレート質量と小さな混合により十分なCP対称性の破れが実現される。
• ニュートリノの質量順序に応じて、0ν双ベータ崩壊の有効メジャナノ質量はmββ ≈ 5×10⁻² eV（通常順序）またはmββ ≈ 5×10⁻² eV（逆順序）に制限される。