[논문 리뷰] Leptogenesis from Dark Matter Annihilations in Scotogenic Model

Debasish Borah, Arnab Dasgupta외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 12.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 데스크 탄생을 통해 약 5 테바볼트의 낮은 스케일에서 렙토제네시스를 생성하는 다크 매터 붕괴를 통해 scotogenic 모형의 최소한의 확장을 제안한다. 이 메커니즘은 동시에 양성자와 다크 매터 밀도의 공진을 설명하면서도 직접 탐지 및 렙톤 품질 위반 실험에서 검증 가능하다.

ABSTRACT

We address the possibility of realising successful leptogenesis from dark matter annihilations in the scotogenic model of neutrino masses to explain the same order of magnitude abundance of dark matter and baryons in the present Universe. After showing that the minimal model in this category can not satisfy all these requirements, we study a minimal extension of this model and find that the scale of leptogenesis can be as low as 5 TeV, lower than the one in vanilla leptogenesis scenario in scotogenic model along with the additional advantage of explaining the baryon-dark matter coincidence. Due to such low scale, the model remains predictive at dark matter direct detection and rare decay experiments looking for charged lepton flavour violating processes.

연구 동기 및 목표

• scotogenic 모형 프레임워크 내에서 우주에서의 양성자 및 다크 매터 밀도의 공진을 다루기 위해.
• 기존의 열역학적 배경 과정이 아닌, 다크 매터 붕괴가 렙토제네시스의 원천이 될 수 있는지 탐색하기 위해.
• 렙토제네시스와 다크 매터 잔여 밀도 제약 조건을 동시에 만족시키는 최소한의 확장된 최소 scotogenic 모형을 특정하기 위해.
• 관측 데이터와 실험 제약 조건과 일치하는 최소한의 렙토제네시스 스케일을 결정하기 위해.
• 다크 매터 직접 탐지 및 비틀림 렙톤 품질 위반 과정에서의 모형의 예측 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• 다크 매터 붕괴가 렙톤 수의 위반을 일으키는 최종 상태로 이르게 하기 위해 최소한의 새로운 장을 도입하여 최소 scotogenic 모형을 확장한다.
• 냉각 과정 중 렙톤 비대칭과 다크 매터 밀도의 진화를 지배하는 보르츠만 방정식을 분석한다.
• 다크 매터 붕괴에서 생성된 중간 상태의 비열적 붕괴를 통해 생성된 렙톤 비대칭을 계산한다.
• 관측된 양성자 대 다크 매터 밀도 비율(ΩB/ΩDM ≈ 0.17)의 제약 조건을 적용하여 모형의 매개변수를 고정한다.
• 직접 탐지 실험과 희귀한 렙톤 품질 위반 붕괴의 제약 조건을 사용하여 모형의 타당성을 평가한다.
• 성공적인 렙토제네시스와 정확한 잔여 밀도가 동시에 존재하는 영역을 찾기 위해 매개변수 공간 스캔을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 scotogenic 모형에서 다크 매터 붕괴가 관측된 양성자 비대칭을 설명할 수 있을 정도의 충분한 렙톤 비대칭을 생성할 수 있는가?
• RQ2 이 시나리오에서 달성 가능한 최소한의 렙토제네시스 스케일은 얼마이며, 일반적인 렙토제네시스 메커니즘과 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ3 이 메커니즘은 관측된 양성자 및 다크 매터 잔여 밀도 비율을 자연스럽게 설명할 수 있는가?
• RQ4 이 모형은 다크 매터 직접 탐지 및 렙톤 품질 위반 과정에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ5 현재 및 향후 다크 매터 및 렙톤 품질 위반 탐지 실험에서 이 모형은 예측 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 최소한의 scotogenic 모형은 렙토제네시스와 정확한 다크 매터 잔여 밀도를 동시에 만족시키지 못하며, 상충하는 제약 조건이 존재한다.
• 최소한의 모형 확장은 다크 매터 붕괴를 통해 최소 5 테바볼트의 스케일로도 렙토제네시스를 성공적으로 생성한다.
• 이 낮은 스케일의 렙토제네시스는 관측된 약 0.17의 렙톤 대 다크 매터 밀도 비율을 자연스럽게 설명한다.
• 낮은 스케일의 새로운 물리학 덕분에 이 모형은 직접 탐지 실험에서 여전히 예측 가능하다.
• μ → eγ와 같은 렙톤 품질 위반 과정은 현재 및 향후 희귀 붕괴 실험에서 탐지 가능하다.
• 이 모형은 낮은 에너지 스케일에서 렙토제네시스, 다크 매터 안정성, 그리고 품질 위반을 통합하는 프레임워크를 제공한다.