[論文レビュー] Lepton Flavor Model and Decaying Dark Matter in The Binary Icosahedral Group Symmetry

Kenji Hashimoto, Hiroshi Okada|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2011

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 25被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、二進イコサ理論的群 $A^{\text{'} }_{5}$ 対称性に基づくレプトンのフラバー模型を提案する。この模型は、クォークおよびレプトンの質量と混合を同時に説明するとともに、次元6の演算子を介して、普遍的な3体レプトン崩壊に制限された崩壊するダークマター（DM）を説明する。モデルは、$A^{\text{'} }_{5}$-保護された演算子がGUTスケールで抑制されることに起因し、DMの寿命が $\mathcal{O}(10^{26})$ 秒であることを前提として、PAMELAおよびFermi-LATが観測した宇宙線陽電子の異常をうまく説明する。

ABSTRACT

We propose a new flavor model that can simlutaneously well-describe the indirect detection experiment of (decaying) dark matter in the cosmic-ray, with the binary icosahedral group A'_5. We show not only that the A'_{5} symmetry can derive quark and lepton masses and mixings consistently, but also that are expected some predictions for the lepton sector. And if we assume a gauge-singlet fermionic decaying dark matter, its decay operators are also constrained by this symmetry so that only dimension six operators of leptonic decay are allowed up to six dimensional Lagrangians. We find that the cosmic-ray anomalies reported by PAMELA and Fermi-LAT are well explained by decaying dark matter controlled by the A'_{5} flavor symmetry, which induces universal decays.

研究の動機と目的

• 二進イコサ理論的群 $A^\text{'}_5$ に基づく統一的フラバー模型を構築し、クォークおよびレプトンの質量と混合を説明すること。
• $A^\text{'}_5$ 対称性を用いて、ダークマター崩壊演算子の構造を制約し、特定の高次元演算子のみが許容されることを保証すること。
• 陽子数が少ないフェルミオン的でゲージシングレットのダークマター粒子がレプトンに崩壊する長寿命な状態を仮定し、PAMELAおよびFermi-LATが観測した宇宙線陽電子過剰を説明すること。
• $A^\text{'}_5$ 対称性が、ダークマターの普遍的な3体レプトン崩壊をもたらし、間接的検出データと整合することを示すこと。
• モデルが不要な崩壊モードや反陽子生成を自然に抑制し、実験的制約と整合することを示すこと。

提案手法

• 物質場を $A^\text{'}_5$ および $Z_4$ 対称性の非可約表現に割り当て、特にレプトンに $\mathbf{3'}$、クォークに $\mathbf{(2,1)}$ を用い、ヤーコビ結合定数を制限する。
• $A^\text{'}_5 \times Z_4$ の不変量を用いて、自由パラメータが制御された質量行列を有する、再正規化可能なヤーコビラグランジアンを構築する。
• $A^\text{'}_5$ 表現のテンソル積則を用いて、特にレプトンおよびクォーク系において、質量行列および相互作用項の構造を導出する。
• ダークマターの崩壊は、次のような次元6の演算子 $\bar{L} E \bar{L} X / \Lambda^2$ を介して媒介され、ここで $X$ はゲージシングレットのフェルミオン的DMであり、$\Lambda \sim 10^{16}$ GeV である。
• $A^\text{'}_5$ 対称性により、唯一の普遍的3体レプトン崩壊を生じる演算子のみが許容され、ガンマ線の過剰生成を回避する。
• モデルは、群論的選択則に基づき、レプトン系における特定の混合パターンと、DM崩壊分岐比の制約を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二進イコサ理論的群 $A^\text{'}_5$ 対称性は、パrameter数を最小限に抑えつつ、観測されたレプトン混合角およびクォーク質量を同時に説明できるか？
• RQ2 $A^\text{'}_5$ 対称性下で、ダークマター崩壊のための許容される高次元演算子は何か？また、それらは観測可能な宇宙線シグネチャーをもたらすか？
• RQ3 $A^\text{'}_5$-保護された次元6演算子は、反陽子やガンマ線の過剰生成を避けて、PAMELAおよびFermi-LATの陽電子過剰を説明できるか？
• RQ4 $A^\text{'}_5$ フラバー対称性は、ダークマターの普遍的レプトン的崩壊モードをもたらすか？また、それによって予測される陽電子スペクトルにどのような影響を与えるか？
• RQ5 $A^\text{'}_5$ 対称性は、特に大きな $\theta_{13}$ 角を考慮した場合に、ニュートリノ質量行列およびレプトン混合の構造をどのように制約するか？

主な発見

• $A^\text{'}_5 \times Z_4$ 対称性フレームワーク下で、クォーク系の質量行列は12個の自由パラメータを有し、9つの観測量を一貫してフィット可能である。
• レプトン系の質量行列はわずか5つの自由パラメータで得られ、T2Kが観測した大きな $\theta_{13}$ 混合角と整合する特定の混合パターンを予測する。
• $A^\text{'}_5$ 対称性により、フェルミオン的ダークマターの崩壊に対して、唯一次元6の演算子が許容され、それより低い次元の演算子が抑制され、寿命が短くなるのを防ぐ。
• モデルは、$A^\text{'}_5$-不変結合定数に依存する、レプトンに向けた普遍的な3体崩壊を予測する。
• 予測されるダークマターの寿命は $\mathcal{O}(10^{26})$ 秒であり、PAMELAおよびFermi-LATが観測した宇宙線陽電子過剰と整合する。
• 実験的データが要求するように、クォークや光子への主要崩壊モードが抑制されているため、反陽子やガンマ線の過剰生成を回避する。