[論文レビュー] Radiative seesaw models linking to dark matter candidates inspired by the DAMPE excess

Takaaki Nomura, Hiroshi Okada|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、DAMPEが観測した1.4 TeVの電子/陽電子過剰に対応するダークマター（DM）候補とを結びつける2つの放射的スイッチモデルを提案する。最初のモデルは、sチャネルのZ′ボソンを通じてe⁺e⁻またはμ⁺μ⁻対へと消えるディラックフェルミオンDMを特徴とし、2番目のモデルは、Z′共鳴状態を通じて4粒子最終状態へと崩壊するスカラーDM候補を用いる。両モデルとも、DM質量が約1.5–3 TeVの周辺でDAMPEの過剰を説明し、妥当なニュートリノ質量テクスチャーを予測する。

ABSTRACT

We propose two possibilities to explain an excess of electron/positron flux around 1.4 TeV recently reported by Dark Matter Explore (DAMPE) in the framework of radiative seesaw models where one of them provides a fermionic dark matter candidate, and the other one provides a bosonic dark matter candidate. We also show unique features of both models regarding neutrino mass structure.

研究の動機と目的

• 放射的スイッチモデルを用いて、DAMPEデータにおける1.4 TeVの電子/陽電子過剰を説明すること。
• 1ループ機構を通じて、ダークマターをニュートリノ質量生成と結びつけること。
• ミュオンの異常磁気モーメントと観測されたDMリリック密度を同時に説明するモデルを構築すること。
• 離散的対称性および追加のゲージ対称性を通じて、フレーバー破れ過程およびゲージ異常と整合性を保つこと。

提案手法

• ゲージ異常をキャンセルし、DM候補をZ₄離散的対称性によって安定化させるために、U(1)_{e+μ−τ}対称性を導入する。
• ディラックDMフェルミオンがループ中に伝播する1ループニュートリノ質量生成を実装し、ニュートリノ質量行列における予測可能な2ゼロテクスチャーB₂を導出する。
• シングレットスカラーφ_RとZ′ゲージボソンを用いてスカラーDM候補を構築し、sチャネルZ′交換を通じてe⁺e⁻、μ⁺μ⁻、またはνₑν̄ₑ/ν_μν̄_μ最終状態へのDM散乱を実現する。
• m_φRとg′のパラメータースキャンを実施し、正しいDMリリック密度とDAMPE過剰の両方に整合する領域を同定する。
• LFV過程（例：μ→eγ）およびZ′のLEP限界を適用して、フレーバー変換中性荷電現在を抑制する。
• 熱的に平均化された散乱断面積を導出し、DAMPEデータおよび観測されたリリック密度と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ディラックフェルミオンDM候補を有する放射的スイッチモデルは、DAMPEにおける1.4 TeVの電子/陽電子過剰を説明できるか？
• RQ2 このモデルは、振動データおよび宇宙論的制約と整合する妥当なニュートリノ質量テクスチャーを予測するか？
• RQ3 1ループスイッチモデルにおけるスカラーDM候補は、DAMPE過剰とミュオンの異常磁気モーメントの両方を同時に説明できるか？
• RQ4 観測されたリリック密度および単色過剰を再現するDM質量およびZ′結合の妥当なパラメータ領域は何か？
• RQ5 フレーバー破れ過程およびゲージ異常は、モデル構造および結合にどのような制約を課えるか？

主な発見

• U(1)_{e+μ−τ}ゲージ対称性を有するディラックフェルミオンDMモデルは、DM質量が約1.5 TeVの周辺でsチャネルZ′ → e⁺e⁻またはμ⁺μ⁻散乱を通じてDAMPE過剰を成功裏に説明する。
• このモデルはニュートリノ質量行列における2ゼロテクスチャーB₂を予測し、逆ニュートリノ質量階層を支持し、一次近似でm_ν₃ ≈ √(Δm²_atm / (1 − cot⁴θ₂₃))を予測する。
• U(1)_{e−μ}対称性を有するスカラーDMモデルは、Z′共鳴状態を通じた4粒子最終状態によりDAMPE過剰を説明し、M_X ≈ 3 TeVおよびm_φR ≈ M_Xの解を得る。
• スカラーDMモデルは、Z′交換図による寄与のおかげでミュオンの異常磁気モーメントについても妥当な説明を提供する。
• 両モデルとも、大きなブースト因子を必要とせず、自然に観測された3×10⁻²⁶ cm³/sの散乱断面積（準小銀河状況）を達成し、正しいリリック密度を実現する。
• Z₄対称性およびフレーバー依存のゲージ電荷の導入により、μ→eγなどのLFV過程からの厳密な制約を満たす。