[论文解读] Dark Baryogenesis

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

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 9

一句话总结

该论文提出一个统一模型，其中一种暗物质手征规约群在破缺至 Z₂ 对称性后，通过类似于电弱重子生成的萨拉姆过程，同时生成重子不对称性和暗物质。重子与暗物质之比源于规范反常自由，辐射质量生成机制决定了丰度，而全局对称性则稳定了电弱与暗希格斯能标。

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.

研究动机与目标

• 通过根植于规范动力学的统一机制，解释宇宙中观测到的重子与暗物质之比。
• 提供一个由自发破缺的暗规范群的剩余 Z₂ 对称性稳定化的可行暗物质候选者。
• 通过违反 B - L 但守恒 B + L 的暗萨拉姆过程生成重子不对称性，防止被标准模型洗出。
• 确保模型与电弱精确测量约束及对撞机现象学一致，包括长寿命暗物质候选者。
• 通过引入近似全局对称性，缓解层次问题，从而稳定电弱与暗希格斯 sector。

提出的方法

• 引入电弱规范群（SU(2)×U(1)）的副本作为暗物质 sector，通过自发破缺至对角 Z₂ 子群，以稳定一个暗物质费米子。
• 引入在标准模型与暗规范群下变换的反常自由的信使费米子，通过萨拉姆过程介导重子生成。
• 利用暗萨拉姆过程在信使费米子中生成 B - L 破坏但 B + L 守恒的不对称性，其后衰变为标准模型重子与暗物质。
• 在单圈阶实现暗物质的辐射质量生成，受圈因子抑制，从而确定暗物质与重子的丰度比。
• 引入轻量暗希格斯粒子，以确保正确的丰度并借助近似全局对称性稳定暗希格斯 sector。
• 构建两圈机制生成标准模型费米子质量，以及三圈机制生成暗物质质量，二者均受全局对称性保护。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个经历一阶相变的暗物质手征规约群，能否同时生成重子不对称性并提供稳定的暗物质候选者？
• RQ2 在统一框架下，重子与暗物质之比如何从信使 sector 的规范反常自由中产生？
• RQ3 暗萨拉姆过程在多大程度上能生成 B - L 不对称性，而不会洗出标准模型的重子不对称性？
• RQ4 该模型中长寿命暗物质粒子的对撞机信号特征是什么？是否与当前实验约束一致？
• RQ5 希格斯 sector 中的近似全局对称性在多大程度上能稳定电弱与暗希格斯能标，从而缓解层次问题？

主要发现

• 该模型成功通过违反 B - L 但守恒 B + L 的暗萨拉姆过程生成重子不对称性，确保其不会被标准模型洗出。
• 观测到的重子与暗物质之比直接源于信使 sector 的规范反常自由，将丰度与基本规范量子数联系起来。
• 暗物质通过受圈因子抑制的辐射修正获得约电弱真空期望值量级的质量，自然地确定了正确的丰度。
• 该模型预测存在长寿命的暗物质粒子，可能在对撞机中被观测到，提供独特的实验信号。
• 电弱与暗希格斯 sector 由近似全局对称性稳定，保护了层次能标，并分别导致两圈与三圈质量生成机制。
• 为实现正确的暗物质丰度，需引入轻量暗希格斯粒子，其存在确保了与宇宙学及对撞机约束的一致性。