[论文解读] Extension of $ u$MSM model and possible explanations of recent astronomical and collider observations

Krishna Kulkarni|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 9

一句话总结

该论文通过引入一个与右手中微子和一种奇异希格斯标量耦合的U(1)'规范对称性，扩展了νMSM模型，从而在单一理论框架下统一解释了3.5 keV X射线线、银河系中心过量（GCE）、750 GeV二光子过量以及重子不对称性。该模型预测了三种惰性中微子：mN1 ~ 7 keV（对应3.5 keV线），mN2,3 ~ 5–60 GeV（对应GCE和重子生成），以及一个约750 GeV的新标量，所有参数均与当前观测约束一致。

ABSTRACT

Here I present the extension to ${ u}$MSM model by adding a $U(1)'$ gauge symmetry under which right-handed fermions including sterile neutrinos and exotic Higgs scalar are charged. This model explains 3.5 keV line observed by XMM-Newton telescope as well as Galactic Center Excess(GCE) detected by Fermi-LAT satellite. The proposed model also accounts for recent diphoton excess of mass around 750 GeV produced in ATLAS and CMS detectors. Cosmological inconsistencies such as baryon asymmetry can also be explained. Verification of presented model is possible with current experimental techniques and limitations. Careful validation and analysis of the model needs to be done in future.

研究动机与目标

• 在单一理论框架内统一解释多个未解的天体物理和对撞机观测现象。
• 通过引入一个与右手中微子和奇异希格斯标量耦合的U(1)'规范对称性，扩展νMSM模型。
• 通过7 keV惰性中微子的衰变解释XMM-Newton观测到的3.5 keV X射线线。
• 通过5–60 GeV惰性中微子的湮灭过程解释费米-LAT数据中的银河系中心过量（GCE）。
• 通过单重费米子振荡机制实现重子不对称性的生成。

提出的方法

• 引入一个具有新规范玻色子Eµ的U(1)'规范对称性，其质量通过奇异希格斯标量Φ的真空期望值获得。
• 将νMSM的拉格朗日量扩展，通过gN和当前相互作用引入Eµ与右手中性费米子及惰性中微子的耦合。
• 分配质量标度：mN1 ~ 7 keV（对应3.5 keV线），mN2,3 ~ 5–60 GeV（对应GCE和重子生成），mΦ ~ 750 GeV（对应二光子过量）。
• 利用 seesaw 机制生成轻的活性中微子质量，对于正常质量谱序，mν1 ~ 10−5 eV，mν2 ~ 9×10−6 eV，mν3 ~ 5×10−2 eV。
• 利用宇宙微波背景（CMB）、莱曼-α森林、X射线观测和费米-LAT数据的约束，确定惰性中微子的质量与混合参数。
• 提出通过未来对Eµ、Φ以及惰性中微子衰变/湮灭信号的搜索进行实验验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 νMSM的U(1)'扩展能否同时解释3.5 keV X射线线、GCE和750 GeV二光子过量？
• RQ2 惰性中微子的质量与混合角如何约束3.5 keV线和GCE的解释？
• RQ3 该模型能否通过单重费米子振荡产生足够的重子不对称性？
• RQ4 新规范玻色子Eµ和奇异希格斯标量Φ的可行质量与耦合范围是什么？
• RQ5 该模型如何通过当前或近未来的实验数据进行检验？

主要发现

• 3.5 keV X射线线由7 keV惰性中微子衰变解释，混合角满足sin²(2θ) ≈ (2–20)×10⁻¹¹，与XMM-Newton和73个星系团分析结果一致。
• 银河系中心过量（GCE）由5–60 GeV惰性中微子湮灭为b¯b或τ¯τ过程解释，截面乘积⟨σv⟩ ≈ (1–3)×10⁻²⁶ cm³/s。
• 750 GeV二光子过量由一个质量mΦ ≈ 750 GeV的新标量Φ解释，其通过圈图过程与光子耦合。
• 重子不对称性通过涉及mN2,3 ~ 5–60 GeV惰性中微子的共振单重费米子振荡机制生成。
• 该模型预测了无中微子双贝塔衰变的有效马约拉纳质量，对于正常质量谱序，mββ ≈ 5×10⁻² eV。
• 该模型与宇宙学约束一致，可通过未来对Eµ、Φ以及X射线和伽马射线波段中惰性中微子信号的搜索进行检验。