[论文解读] A minimal model of TeV scale WIMPy leptogenesis

Arnab Dasgupta, Chandan Hati+2 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 13

一句话总结

该论文提出了一种对标准模型的最小U(1)_{B-L}规范扩展，通过TeV尺度的WIMP型轻子生成机制，同时解释了暗物质的遗迹丰度和重子不对称性。该模型通过WIMP暗物质候选者（N₁, N₂）的非平衡、轻子数破坏型湮灭过程产生轻子不对称性，CP破坏来源于圈图，从而在可探测的对撞机尺度下成功生成了重子不对称性，并显著增强了μ→eγ衰变的速率。

ABSTRACT

We present a minimal framework of $U(1)_{B-L}$ gauge extension of the Standard Model explaining dark matter abundance and matter-antimatter asymmetry simultaneously through an attractive mechanism of TeV scale WIMPy leptogenesis, testable at the current and next generation of colliders. This framework can also explain small neutrino masses via a radiative mechanism. One of the key predictions of this model is an enhanced rate for lepton flavor violating decay $μ ightarrow e γ$ within the sensitivity reach of next generation experiments.

研究动机与目标

• 通过在最小框架下统一暗物质与重子生成，解决宇宙巧合问题——即为何暗物质与重子丰度相近。
• 实现在TeV尺度下的可行轻子生成机制，避免传统模型对高能尺度的需求。
• 通过涉及惰性标量双重态的辐射见标机制解释小中微子质量。
• 预测轻子味破坏衰变μ→eγ的显著增强，可在下一代实验中检验。
• 通过仅含非平凡B-L荷的最小场内容，确保异常消除与规范一致性。

提出的方法

• 引入三个右手中微子，其B-L = -4，以在U(1)_{B-L}扩展中消除异常，确保其作为WIMP暗物质的稳定性。
• 引入一个复数惰性标量双重态η，其B-L = 3，通过t通道交换介导轻子数破坏型暗物质湮灭（N₁,₂N₁,₂ → νν）。
• 通过η的带电分量与顶夸克/夸克圈图之间的树图与单圈图的干涉产生CP破坏。
• 求解WIMP遗迹密度与轻子不对称性的玻尔兹曼方程，追踪冻结与洗出过程。
• 使用Passarino-Veltman函数计算CP不对称性参数ε在衰变/湮灭过程中的圈图贡献。
• 通过干涉项δᶜ_V计算轻子不对称性参数ε，包含质量依赖的圈积分与费米子耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个最小的U(1)_{B-L}扩展能否在TeV尺度下同时解释标准模型的暗物质遗迹密度与重子不对称性？
• RQ2 具有轻子数破坏的WIMP湮灭在生成导致观测到的重子不对称性的轻子不对称性中起什么作用？
• RQ3 该模型中的CP破坏如何产生？其大小是否足以产生观测到的物质-反物质不对称性？
• RQ4 轻子味破坏衰变μ→eγ的预测速率是多少？是否在下一代实验的探测范围内？
• RQ5 在此最小框架内，能否通过引入额外重态而实现小中微子质量的辐射生成？

主要发现

• 该模型在TeV尺度实现了成功的WIMPy型轻子生成，Z′规范玻色子质量约为几TeV，使其可在当前及未来的对撞机中检验。
• 轻子不对称性通过WIMP暗物质（N₁, N₂）非平衡湮灭为中微子而生成，该过程由惰性标量双重态η介导。
• CP不对称性参数ε通过圈图干涉生成，主要贡献来自顶夸克与粲夸克圈图。
• 该模型预测了轻子味破坏衰变μ→eγ分支比的显著增强，其水平处于下一代实验（如Mu3e）的灵敏度范围内。
• 中微子质量通过涉及惰性标量双重态带电分量的辐射见标机制生成，与振荡数据一致。
• 由于在T < m_DM时玻尔兹曼抑制，洗出过程被抑制，使得轻子不对称性得以存活，并通过Sphaleron过程转化为重子不对称性。