[论文解读] Primordial black holes and lepton flavor violation with scotogenic dark matter

Teruyuki Kitabayashi|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 106被引用 6

一句话总结

本文通过单极暗物质模型建立了原初黑洞（PBH）初始密度与轻子味破坏之间的联系，表明若MEG II实验观测到μ→eγ衰变，则在辐射主导时期，PBH初始密度β = ρPBH/ρrad被约束为2×10⁻¹⁷ ≲ β ≲ 3×10⁻¹⁶（对于O(TeV)量级的暗物质 sector）；在PBH主导时期，β被约束为1×10⁻⁸ ≲ β ≲ 3×10⁻⁷（对于O(GeV)量级的暗物质）。这些约束源于将PBH蒸发产物与观测到的暗物质遗迹密度及MEG II的灵敏度极限相匹配。

ABSTRACT

We show that if the lepton flavor violating $\mu ightarrow e \gamma$ process is observed in the MEG II experiment, the initial density of primordial black holes (PBHs) can be constrained with the scotogenic dark matter. As a benchmark case, if the PBH evaporation occurs in the radiation dominated era, the initial density may be $2 imes 10^{-17} \lesssim \beta \lesssim 3 imes 10^{-16}$ for $\mathcal{O}$ (TeV) scale dark sector in the scotogenic model where $\beta= ho_{ m PBH}/ ho_{ m rad}$ is the ratio of the PBH density $ ho_{ m PBH}$ to the radiation density $ ho_{ m rad}$ at the time of PBH formation. As an other benchmark case, if PBHs evaporate in the PBH dominated era, the initial density may be $1 imes 10^{-8} \lesssim \beta \lesssim 3 imes 10^{-7}$ for $\mathcal{O}$ (GeV) scale dark matter with other $\mathcal{O}$ (TeV) scale particles in the scotogenic model.

研究动机与目标

• 探索原初黑洞（PBH）初始密度与单极暗物质模型中轻子味破坏之间的关联。
• 利用未来MEG II对μ→eγ分支比的灵敏度限制，约束初始PBH密度β = ρPBH/ρrad。
• 研究PBH蒸发通过霍金辐射产生暗物质的作用，特别是在辐射主导时期与PBH主导时期。
• 在先前工作的基础上，通过引入MEG II灵敏度、熵产生效应以及更广泛的单极模型参数空间，实现改进。

提出的方法

• 采用单极模型，引入三个Z₂奇偶性的马约拉纳费米子（Nk）和一个复标量双态（η），其中最轻的N₁作为暗物质候选者。
• 利用Casas-Ibarra参数化方法计算μ→eγ的单圈诱导分支比，其振幅取决于汤川耦合、质量及混合角。
• 通过霍金辐射建模PBH蒸发产生暗物质，初始PBH密度β通过与观测到的暗物质遗迹密度ΩDMh² = 0.12 ± 0.0009相匹配来约束。
• 在PBH主导时期情况下，将PBH蒸发产生的熵产生效应纳入考虑，影响遗迹密度的计算。
• 对四个自由参数mDM、M₃、m₀和λ进行数值扫描，应用MEG II预期灵敏度的约束（6×10⁻¹⁴ ≤ BR(μ→eγ) ≤ 4.2×10⁻¹³）。
• 分析区分辐射主导时期与PBH主导时期，根据时期类型和暗物质质量量级，对β的约束有所不同。

实验结果

研究问题

• RQ1 若MEG II实验观测到μ→eγ衰变，原初黑洞初始密度β = ρPBH/ρrad可受到何种约束？
• RQ2 PBH蒸发时期（辐射主导 vs. PBH主导）如何影响单极暗物质模型中β的允许范围？
• RQ3 引入MEG II的预期灵敏度对单极模型参数空间及PBH初始密度的影响是什么？
• RQ4 PBH蒸发产生的熵如何影响PBH主导时期暗物质的遗迹丰度？
• RQ5 由PBH起源的重粒子（N₂、N₃、η）衰变为暗物质对最终遗迹密度的影响是什么？这又如何影响约束条件？

主要发现

• 若MEG II实验观测到μ→eγ衰变，则在辐射主导时期，对于O(TeV)量级的暗物质体系，初始PBH密度β被约束为2×10⁻¹⁷ ≲ β ≲ 3×10⁻¹⁶。
• 在PBH主导时期，对于O(GeV)量级的暗物质，且其他粒子为O(TeV)量级时，初始PBH密度β被约束为1×10⁻⁸ ≲ β ≲ 3×10⁻⁷。
• 在PBH主导时期，允许的暗物质质量范围较窄：1.1 ≲ mDM [GeV] ≲ 3.4，这是由于PBH蒸发主导了遗迹密度的产生，而非冻结截获过程。
• 基准案例PBHD1（轻质量）给出β ≳ 2×10⁻⁹，而PBHD2（中等质量）则无约束，表明结果对质量量级高度敏感。
• 对于Min/MPl = 2×10¹³，PBHD6给出1×10⁻⁸ ≲ β ≲ 3×10⁻⁷，PBHD7给出7×10⁻¹⁵ ≲ β ≲ 2×10⁻¹⁴，表明对PBH质量量级敏感。
• 本研究保守要求Min/MPl ≳ 1×10¹⁰，以满足mDM ≈ 1 GeV时的温暗物质约束（来自Lyman-α观测）。