[논문 리뷰] Twin Cogenesis

Wan-Zhe Feng, Jiang-Hao Yu|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 44인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이중 힉스 프레임워크 내에서 이중 코제네시스 메커니즘을 제안하여 어두운 물질, 물질과 어두운 물질 밀도의 천체역학적 공존, 작은 계층 문제, 렙토제네시스, 그리고 미세한 중성미온 질량을 동시에 설명한다. 표준모형 부문과 이중 부문에 각각 하나의 중성미온 질량이 큰 메이저라 중성미온을 도입함으로써, 두 부문 모두에서 렙토니아 비대칭을 생성하며, 이중 부문의 가장 가벼운 이중 바리온이 5.5 GeV 어두운 물질 후보로 자연스럽게 관측된 어두운 물질 밀도를 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 어두운 물질과 가시물질 밀도가 동일 주기수준에 있다는 천체역학적 공존 문제를 해결하기 위해.
• 이중 힉스 메커니즘의 맥락에서 작은 계층 문제를 다루기 위해.
• 미세한 중성미온 질량과 가시부문 및 이중부문 모두에서의 렙토니아 비대칭 기원을 설명하기 위해.
• 어두운 물질, 바리오제네시스, 중성미온 질량 생성을 하나의 프레임워크 내에서 통합하여 이중 힉스 모형과 호환되도록 하기 위해.

제안 방법

• 표준모형 부문에 하나, 이중 부문에 두 개의 무거운 메이저라 중성미온을 도입하여 두 부문 모두에서 렙토니아 비대칭을 생성한다.
• 무거운 메이저라 중성미온의 붕괴를 통해 이중 부문과 가시부문에서 동시에 렙토니아 비대칭을 생성하는 이중 코제네시스 메커니즘을 활용한다.
• 메이저 스케일 어두운 포톤을 도입하여 이중 부문에서 에너지와 대칭 성분을 효율적으로 제거한다.
• 형제 이중 힉스 모형과 새로 제안된 중성미온 친화성 이중 이중 힉스 두 개의 데일리 모형을 활용하여 자발적 Z₂ 대칭 깨짐을 실현한다.
• 모델에서 명시적 Z₂ 깨짐을 피하여 ΔN_eff 제약 조건을 충족시키도록 보장한다.
• 가장 가벼운 이중 바리온을 안정된 어두운 물질 후보로 식별하며, 질량은 약 5.5 GeV이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 한 가지 메커니즘이 이중 힉스 프레임워크 내에서 어두운 물질, 바리오제네시스, 그리고 미세한 중성미온 질량을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 가시물질과 어두운 물질 밀도의 관측된 공존 현상은 어떤 이중 부문 모형 내에서 자연스럽게 설명될 수 있는가?
• RQ3 무거운 메이저라 중성미온은 가시부문과 이중부문 모두에서 렙토니아 비대칭을 어떻게 생성하는가?
• RQ4 ΔN_eff 제약 조건을 위반하지 않으면서도 실현 가능한 이중 힉스 모형 내에서 이중 코제네시스 메커니즘은 어떻게 실현될 수 있는가?
• RQ5 5.5 GeV 이중 바리온이 어두운 물질 후보로써 가지는 현상학적 함의는 무엇인가?

주요 결과

• 약 5.5 GeV의 질량을 가진 가장 가벼운 이중 바리온은 안정된 어두운 물질 후보로 나타나 관측된 어두운 물질 밀도를 자연스럽게 설명한다.
• 이중 코제네시스 메커니즘은 각각의 부문에서 중성미온 붕괴를 통해 가시부문과 이중부문 모두에서 렙토니아 비대칭을 성공적으로 생성한다.
• 모델은 대칭적인 이중 부문과 공통의 바리오제네시스 메커니즘 덕분에 물질과 어두운 물질 밀도의 천체역학적 공존 현상을 자연스러운 결과로 설명한다.
• 메이저 스케일 어두운 포톤은 이중 부문에서 에너지와 대칭 성분을 효율적으로 제거하여 이중 바리온의 안정성과 정확한 잔류 밀도를 보장한다.
• 이 프레임워크는 형제 이중 힉스 모형과 새로 제안된 중성미온 친화성 이중 이중 힉스 두 개의 데일리 모형을 통해 실현 가능하며 자발적 Z₂ 대칭 깨짐을 수반한다.
• 모델은 명시적 Z₂ 깨짐을 피함으로써 ΔN_eff 제약 조건을 충족시키며, 필요한 물리적 현상이 여전히 발생할 수 있도록 보장한다.