[논문 리뷰] Impact of texture zeros on dark matter and neutrinoless double beta decay in inverse seesaw

Nayana Gautam, Mrinal Kumar Das|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 91인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 표준모형을 두 개의 오른쪽 회전 중성자와 세 개의 비활성 페르미온으로 확장한 최소 역세이프 모형 ISS(2,3) 내에서 디락 질량 행렬의 질감 제로가 미치는 영향을 조사한다. 디락, 무거운 중성자, 비활성 중성자 질량 행렬에 최대한의 제로를 도입함으로써 연구는 매개변수 공간을 제약하고 keV 범위의 타당한 암흑물질 후보를 규명하며, 그들의 천체물리학적 타당성과 무이중베타붕괴에 기여하는 바를 평가한다. 그 결과, 질감 제로는 자유 매개변수를 크게 감소시키고 암흑물질 및 중성자 현상론에 있어 예측 가능성을 높인다.

ABSTRACT

We study the impact of maximal zeros of the Dirac mass matrix on neutrino phenomenology and dark matter within the framework of an inverse seesaw ISS $(2,3)$. ISS $(2,3)$ is obtained by adding two right handed neutrinos and three gauge singlets sterile fermions to the standard model leading to an extra sterile state in the keV range. The model is more predictive because of the presence of fewer numbers of right handed neutrinos than the conventional inverse seesaw. Moreover, texture zeros in the structures of the mass matrices involved in the model can reduce the free parameters. We extensively study the effect of different textures of Dirac mass matrix on sterile neutrino dark matter phenomenology. Our study also includes the implications of these texture zero mass matrices on low energy phenomena like neutrinoless double beta decay (0$ u\beta\beta$). The zero textures highly constrain the parameter space of the model. Based on the allowed cosmological ranges of the relic abundance, decay rates, and dark matter mixing with the active neutrinos, we study the viability of the different textures within the framework.

연구 동기 및 목표

• ISS(2,3) 프레임워크 내에서 디락 질량 행렬의 질감 제로가 미치는 현상론적 영향을 탐구하기.
• 유물 밀도와 붕괴율에 대한 천체물리학적 및 천문학적 제약 조건을 활용하여 비활성 중성자 암흑물질의 매개변수 공간을 제약하기.
• 다양한 디락 질량 행렬의 제로 질감 패턴이 암흑물질과 무이중베타붕괴에 대해 타당한지 평가하기.
• 질감 제로를 통해 자유 매개변수의 수를 줄여 모형의 예측 가능성을 높이기.
• 무이중베타붕괴에 기여하는 무거운 비활성 중성자를 통해 모형이 기여하는 바 평가하기.

제안 방법

• 표준모형에 두 개의 오른쪽 회전 중성자와 세 개의 비활성 페르미온을 추가하여 ISS(2,3) 모형을 구성함으로써 keV 스케일의 비활성 중성자를 도출한다.
• 기본적인 맛 대칭성에 기반하여 디락 질량 행렬(M_D), 무거운 중성자 질량 행렬(M_N), 비활성 중성자 질량 행렬(µ)에 최대한의 질감 제로를 도입한다.
• 전체 질량 행렬 M을 사용하여 세이프 공식에서 경량 중성자 질량 행렬을 유도한다: m_ν ≈ M_D^T M^{-1} M_D.
• 열적 동결 및 비열적 생성 메커니즘을 사용하여 가장 가벼운 비활성 중성자의 활성-비활성 혼합 각도와 유물 밀도를 계산한다.
• 무거운 비활성 중성자 기여를 사용하여 무이중베타붕괴(0νββ)에 대한 효과적 메이저라 질량을 계산한다.
• 천체물리학적 제약 조건(예: X선 제약, Ly-α 숲, XMM-Newton 관측)을 적용하여 각 질감의 타당성 테스트를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ISS(2,3) 모형 내에서 keV 스케일의 비활성 중성자 암흑물질에 대해 어떤 디락 질량 행렬의 질감 제로 패턴이 타당한가?
• RQ2 질감 제로는 가장 가벼운 비활성 중성자의 유물 밀도와 붕괴율을 어떻게 제약하며, 어떤 질감이 천체물리학적 제약 조건을 만족하는가?
• RQ3 비활성 중성자는 무이중베타붕괴에 어떤 기여를 하는가? 그리고 질감 제로의 구조에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 질감 제로는 자유 매개변수의 수를 어떻게 줄이고 모형의 예측 가능성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 어떤 질감 패턴이 암흑물질 현상론과 저에너지 중성자 데이터 양쪽 모두와 일치하는가?

주요 결과

• 디락 질량 행렬의 질감 제로는 ISS(2,3) 모형의 자유 매개변수 수를 크게 감소시켜 모형의 예측 가능성을 높인다.
• 타당한 질감 패턴 내에서 가장 가벼운 비활성 중성자는 유물 밀도와 X선 붕괴율에 대한 천체물리학적 제약 조건을 충족하며, XMM-Newton과 창라 관측 결과와 일치하는 수명을 가진다.
• 모형은 질량이 keV 범위(1–10 keV)에 있고 활성-비활성 혼합 각도가 sin²θ ~ 10⁻⁸–10⁻¹⁰ 수준인 비활성 중성자를 예측하며, 이는 암흑물질 제약 조건과 일치한다.
• 무이중베타붕괴에 대한 효과적 메이저라 질량은 특정 질감 패턴에서 증가하여 최대 m_ββ ~ 10⁻² eV 수준에 도달할 수 있으며, 이는 다음 세대 실험에서 검증 가능할 수 있다.
• 천체물리학적 제약과 암흑물질 제약 조건을 통합할 경우, 경량 중성자 질량 행렬 내 15가지 가능한 이중제로 질감 중 일부만이 타당한 것으로 밝혀져 타당한 매개변수 공간이 감소한다.
• 질감 제로를 포함한 모형은 keV 스케일의 비활성 중성자 암흑물질과 비제로의 무이중베타붕괴 기여를 동시에 설명할 수 있는 통합적 프레임워크를 제공하며, 암흑물질과 렙톤 맛 물리학을 연결한다.