[論文レビュー] Resolution to neutrino masses, baryon asymmetry in leptogenesis and cosmic-ray anomalies

Chuan-Hung Chen|ArXiv.org|May 21, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、2つの$Z_2$対称性を備えたステアーリングニュートリノ2体、2つのヒッグスダブルレット、および右巻きニュートリノを導入することで、標準模型を統一的に拡張するモデルを提案する。このモデルにより、タイプIおよび放射的シー・スイッチメカニズムを介して小さなニュートリノ質量を同時に説明し、$O(1{-}10\,\text{TeV})$のスケールで$Z_2$対称性のソフト破れを介したレプチノジェネシスによってバリオン非対称性を生成し、長寿命でレプチフィル的であるダークマターの崩壊によってフェルミ-LATおよびPAMELAの宇宙線異常を説明する。$m_{N_2} = 2\,\text{TeV}$、$m_{N_1} = 0.2\,\text{TeV}$、および$\kappa = 0.65$の条件下で、観測データと良好に一致する。モデルは、同じソフト破れ項を通じて、長寿命のダークマターとCP対称性の破れを自然に実現する。

ABSTRACT

By extending the lepton sector of standard model to include one sterile neutrino and two sets of new Higgs doublets and right-handed neutrinos, denoted by $(η_1, N_1, N_3)$ and $(η_2, N_2, N_4)$, with two $Z_2$ symmetries, the puzzles of neutrino masses, matter-antimatter asymmetry and cosmic-ray excess observed by Fermi-LAT and PAMELA can be resolved simultaneously. The characters of the model are: (a) neutrino masses arise from type-I and radiative seesaw mechanisms; (b) leptogenesis leading to baryon asymmetry at the energy scale of $O(1- 10 m TeV)$ could be realized through soft $Z_2$ symmetry breaking effects; and (c) the conditions of small couplings for a long-lived dark matter could be achieved naturally through loop corrections due to the same soft symmetry breaking effects. The candidate for dark matter in leptophilic decays could fit the Fermi-LAT and PAMELA data well.

研究の動機と目的

• 小さなニュートリノ質量、バリオン非対称性（レプチノジェネシスによる）、および宇宙線異常（フェルミ-LATおよびPAMELA）の未解決の謎を、単一の理論的枠組み内で解決すること。
• 標準模型の最小的拡張を用いて、ニュートリノ質量、物質-反物質非対称性、ダークマターの起源をレプトン系において統一すること。
• カップリングやスケールの微調整を避けるために、ソフト$Z_2$対称性の破れによるループ補正を通じて、自然に長寿命のダークマター候補を実現すること。
• 大きなブースト因子や共鳴的増幅を必要とせず、観測された$e^+e^-$フラックス過剰をフィットすること。

提案手法

• 長寿命のダークマター候補（$N_2$）を保護し、その崩壊が運動的に禁止されるように、2つの$Z_2$対称性を導入する。
• タイプIシー・スイッチと放射的シー・スイッチメカニズムを介してニュートリノ質量を生成するため、レプトン系に2つのステアーリングニュートリノ（$N_1, N_3$）と2つのヒッグスダブルレット（$\eta_1, \eta_2$）を追加する。
• ソフト$Z_2$対称性の破れ項（$\mu_{34} N_3^T C N_4 + \text{h.c.}$）を導入し、$N_2$の崩壊に小さなカップリングとレプチノジェネシスにおけるCP対称性の破れを生成する。
• 同じソフト破れ効果を用いて、自然に小さなカップリングを実現し、$N_2$が微調整なしに長寿命（$O(10^{26}\,\text{s})$）であることを保証する。
• パラメータ化されたエネルギースペクトル$G(E,E')$を用いて$N_2$崩壊からの$e^+e^-$フラックスを計算し、フェルミ-LATおよびPAMELAのデータと比較する。
• $N_3$を介した崩壊を通じてレプチノジェネシスの生成量を計算し、$N_3$および$N_4$を含むフェルミ粒子の一次ループ図と木図の干渉によって生じるCP非対称性を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一のモデルが、同時に小さなニュートリノ質量、レプチノジェネシスによるバリオン非対称性、および宇宙線における$e^+e^-$フラックス過剰を説明できるか？
• RQ2 カップリングやスケールの微調整を避けて、自然に長寿命のダークマター候補を実現する方法は何か？
• RQ3 ソフト$Z_2$対称性の破れ項が、レプチノジェネシスにおけるCP対称性の破れと、ダークマター崩壊の小さなカップリングの両方を生成する役割を果たすか？
• RQ4 モデルは、ブースト因子や共鳴的増幅を必要とせず、フェルミ-LATおよびPAMELAの陽電子フラックスおよび$e^+/(e^-+e^+)$比の観測データをフィットできるか？

主な発見

• モデルは、タイプIシー・スイッチと放射的シー・スイッチメカニズムの組み合わせにより、小さなニュートリノ質量を実現し、$N$および$N_3$が質量行列に寄与する。
• レプチノジェネシスは$O(1{-}10\,\text{TeV})$のスケールで$N_3$の崩壊を通じて発生し、CP非対称性はソフト$Z_2$対称性の破れ効果によって生成される。
• 長寿命のダークマター候補$N_2$は$N_2 \to \ell^+ \ell^-$の崩壊を通じて崩壊し、寿命は$O(10^{26}\,\text{s})$に達する。これは、ソフト破れによるループ抑制付きカップリングによって自然に達成される。
• $m_{N_2} = 2\,\text{TeV}$、$m_{N_1} = 0.2\,\text{TeV}$、$\kappa = 0.65$の条件下で、モデルはフェルミ-LATおよびPAMELAの$e^+e^-$フラックスおよび陽電子分率データの両方を良好にフィットする。
• $e^+/(e^-+e^+)$比は、エネルギー範囲全域でよく再現されており、特に$N_2 \to e^+e^-$崩壊が支配的（$c^2_{\alpha} = 1$）な場合に観測と整合性がある。