[論文レビュー] Dark Baryogenesis

Devin G. E. Walker|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、破れるとZ₂対称性となる暗黒チラルゲージ群を有する統一モデルを提案する。このモデルは、電弱ビリヤード生成に類似したスファレオン過程を通じて、バリオン非対称性とダークマターの両方を生成する。バリオン対ダークマター比はゲージ異常自由性から生じ、放射修飾質量生成が残存密度を決定づける。一方、グローバル対称性が電弱およびダークヒッグススケールを安定化させる。

ABSTRACT

We first suggested a scenario in which a generic, dark chiral gauge group undergoes a first order phase transition in order to generate the observed baryon asymmetry in the universe, provide a viable dark matter candidate and explain the observed baryon-to-dark matter ratio of relic abundances [arXiv:1003.0899]. We now provide a model in which a copy of the electroweak gauge group is added to the Standard Model. We spontaneously break this new gauge group to the diagonal Z_2 center which is used to stabilize a dark matter candidate. In addition to the dark matter candidate, anomaly free messenger fermions are included which transform non-trivially under all the gauge groups. In analogy to electroweak baryogenesis, the model generates an excess of messenger These baryons subsequently decay to the Standard Model and dark matter to generate an excess of Standard Model baryons. The baryon-to-dark matter number density ratio is ultimately due to the requirement of gauge anomaly freedom. Dark sphalerons generate operators which violate B - L but preserves B + L. Thus, the asymmetry is not washed out by the Standard Model. The model radiatively generates a dark matter mass of order of the electroweak vacuum expectation value suppressed by a loop factor therefore setting the dark matter-to-baryon relic abundance. We outline some distinctive experimental signatures and ensure these models are consistent with existing constraints. As first discussed in [arXiv:0907.3142], these dark matter scenarios feature long-lived particles which can be observed at colliders. We finally show how approximate global symmetries in the higgs sector stabilize both the dark and electroweak scales thereby mitigating the hierarchy problem. Light dark higgses are needed to ensure the correct relic abundance. Thus, by construction the SM and dark higgses generate masses at two- and three-loops, respectively.

研究の動機と目的

• ゲージダイナミクスに基づく統一的メカニズムを通じて、宇宙における観測されたバリオン対ダークマター比を説明すること。
• 自然に破れた暗黒ゲージ群の残余Z₂対称性によって安定化される、実現可能なダークマター候補を提供すること。
• B - Lを破るがB + Lを保存するダークスファレオン過程を通じてバリオン非対称性を生成し、標準模型によって洗い流されないようにすること。
• 電弱精度制約およびコライダーの素粒子物理学的予測、特に長寿命ダークマター候補と整合するようにモデルを整合性を持たせること。
• 近似的なグローバル対称性を導入することで、電弱およびダークヒッグス系の階層問題を軽減すること。

提案手法

• 電弱ゲージ群（SU(2)×U(1)）のコピーをダークセクターとして導入し、対角的Z₂部分群に自然に破れるようにして、ダークマターフェルミオンを安定化する。
• 標準模型およびダークゲージ群の両方に変換する異常自由なメッセンジャーフェルミオンを導入し、スファレオン遷移を通じてバリオン生成を媒介する。
• ダークスファレオンを用いてメッセンジャーフェルミオンにB - Lを破るがB + Lを保存する非対称性を生成し、その後それが標準模型のバリオンおよびダークマターに崩壊する。
• 1ループの位相で放射修飾質量生成を実装し、ループ要因によって抑制される。これにより、ダークマター対バリオンの残存密度比が決定づけられる。
• 正確な残存密度を達成し、ダークヒッグス系を近似的なグローバル対称性によって安定化させるために、軽いダークヒッグスを導入する。
• 標準模型フェルミオン質量の2ループ機構と、ダークマター質量の3ループ機構を構築し、両者をグローバル対称性によって保護する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自然に破れる第一級相転移を経る暗黒チラルゲージ群が、同時にバリオン非対称性を生成し、安定なダークマター候補を提供できるか？
• RQ2 統一枠組みにおいて、ゲージ異常自由性からどのようにバリオン対ダークマター比が生じるか？
• RQ3 ダークスファレオン過程がB - L非対称性を生成するが、標準模型のバリオン非対称性が洗い流されない程度にどの程度まで効果を発揮できるか？
• RQ4 このモデルにおける長寿命ダークマター粒子のコライダーのシグネチャは何か？また、現在の実験的制約と整合するか？
• RQ5 ヒッグス系における近似的なグローバル対称性は、電弱およびダークヒッグススケールをどの程度安定化させ、階層問題を軽減できるか？

主な発見

• モデルは、B - Lを破るがB + Lを保存するダークスファレオン遷移を通じてバリオン非対称性を効果的に生成し、標準模型によって非対称性が洗い流されないことを保証する。
• 観測されたバリオン対ダークマター比は、メッセンジャーセクターにおけるゲージ異常自由性の直接的結果であり、残存密度が基本的なゲージ量子数に依存することを示している。
• ループ要因によって抑制される放射修飾補正を通じて、ダークマターは電弱真空期待値のオーダーの質量を獲得し、自然に正しい残存密度を決定づける。
• モデルは、コライダーで観測可能な長寿命ダークマター粒子を予測し、特徴的な実験的シグネチャを提供する。
• 電弱およびダークヒッグス系は近似的なグローバル対称性によって安定化され、階層スケールが保護され、標準模型フェルミオンとダークフェルミオンの質量生成がそれぞれ2ループおよび3ループのメカニズムによって実現される。
• 正確なダークマター残存密度を達成するためには、軽いダークヒッグスが必要であり、その存在は宇宙論的およびコライダーの制約と整合することを保証する。