[論文レビュー] Twin Cogenesis

Wan-Zhe Feng, Jiang-Hao Yu|arXiv (Cornell University)|May 13, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 44被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、二重ヒッグス枠組みにおいて、同時にダークマター、物質とダークマター密度の宇宙的一致、小さな階層問題、レプトン生成、および微小なニュートリノ質量を説明する二重共発メカニズムを提案する。標準模型のセクターに一つ、二重セクターに二つの重いメジャノナニュートリノを導入することにより、両セクターにレプトン非対称性が生成され、5.5 GeVの軽い二重バリオンが自然に観測されたダークマター密度を説明するダークマター候補として機能する。

ABSTRACT

We investigate a cogenesis scenario within the twin Higgs setup which can naturally explain the nature of dark matter, the cosmic coincidence puzzle, little hierarchy problem, leptogenesis and the tiny neutrino masses. Three heavy Majorana neutrinos are introduced to the standard model sector and the twin sector respectively, which explain the tiny neutrino masses and generate the lepton asymmetry and the twin lepton asymmetry at the same time. The twin cogenesis scenario is general and applies to any viable twin Higgs model without hard $\mathbb{Z}_2$ breaking and evading the $\Delta N_{ m eff}$ constraint. We demonstrate twin cogenesis in two models: fraternal twin Higgs model, and neutrino-philic twin two Higgs doublet model, a newly proposed model to lift the twin neutrino masses with spontaneous $\mathbb{Z}_2$ breaking. The MeV scale dark photon ensures the energy in the twin sector as well as the symmetric component of twin sector particles can be depleted. The lightest twin baryons are the dark matter candidates with masses approximately 5.5~GeV, which explain naturally the amount of dark matter and visible matter in the Universe are of the same order.

研究の動機と目的

• ダークマターと可視物質密度が同程度であるという宇宙的一致問題を解決すること。
• 二重ヒッグス機構の文脈において、小さな階層問題に対処すること。
• 微小なニュートリノ質量と、可視セクターおよび二重セクターにおけるレプトン非対称性の起源を説明すること。
• ダークマター、バリオジェネシス、ニュートリノ質量生成を、二重ヒッグスモデルと整合する一つの枠組みで統合すること。

提案手法

• 標準模型セクターに一つ、二重セクターに二つの重いメジャノナニュートリノを導入し、両セクターにレプトン非対称性を生成する。
• 重いメジャノナニュートリノの崩壊を通じて、可視セクターと二重セクターの両方でレプトン非対称性を同時に生成する二重共発メカニズムを用いる。
• MeVスケールのダークフォトンを導入し、二重セクター内のエネルギーと対称成分を効率的に減少させる。
• 同胞的二重ヒッグスモデルと、新たに提案されたニュートリノ指向性二重ヒッグス二重重ね合わせモデルを用いて、自発的Z₂対称性の破れを実現する。
• 明示的なZ₂対称性の破れを避けることで、ΔN_eff制約に適合することを保証する。
• 最も軽い二重バリオンを、質量が約5.5 GeVの安定なダークマター候補として同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一つのメカニズムが、二重ヒッグス枠組みにおいて、同時にダークマター、バリオジェネシス、微小なニュートリノ質量を説明できるか？
• RQ2 可視物質とダークマター密度の観測された一致は、二重セクターモデル内で自然に説明可能か？
• RQ3 重いメジャノナニュートリノは、可視セクターおよび二重セクターの両方でレプトン非対称性を生成するために果たす役割は何か？
• RQ4 明示的なΔN_eff制約に違反しない二重ヒッグスモデルで、二重共発メカニズムをどのように実現できるか？
• RQ5 5.5 GeVの二重バリオンがダークマター候補である場合、その物性的・実験的意味は何か？

主な発見

• 質量が約5.5 GeVの最も軽い二重バリオンは、安定なダークマター候補として現れ、観測されたダークマター密度を自然に説明する。
• 二重共発メカニズムは、それぞれのセクターにおける重いメジャノナニュートリノの崩壊を通じて、可視セクターと二重セクターの両方のレプトン非対称性を効果的に生成する。
• モデルは、対称的な二重セクターと共有されるバリオジェネシスメカニズムのおかげで、物質とダークマター密度の宇宙的一致を自然な結果として説明する。
• MeVスケールのダークフォトンは、二重セクター内のエネルギーと対称成分を効率的に減少させ、二重バリオンの安定性と適切な残存密度を保証する。
• この枠組みは、同胞的二重ヒッグスモデルおよび新たに提案されたニュートリノ指向性二重ヒッグス二重重ね合わせモデルの両方で実現可能であり、自発的Z₂対称性の破れを伴う。
• 明示的なZ₂対称性の破れを避けるため、モデルはΔN_eff制約に適合しており、必要な物理現象が依然として発現可能である。