[论文解读] Relating leptogenesis and dark matter

Michel H. G. Tytgat|ArXiv.org|Jun 12, 2006

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用 9

一句话总结

本文提出一个统一的场景，其中暗物质与重子物质均源于一个左右对称的规范模型扩展中的电弱对称性破缺过程，通过轻子生成过程中产生的$B-L$不对称性而起源。暗物质候选者为一个轻的右手中微子（$\nu_R \sim 1$ GeV），通过晚期衰变的重色媒介粒子（$D$）非热产生，尽管产生机制不同，但其丰度自然地与重子相近。

ABSTRACT

A scenario that relates the abundance of dark matter to the baryon asymmetry of the Universe is presented. In this scenario, based on a left-right extension of the Standard Model, dark matter is made of light, ~ 1 GeV, right-handed Majorana neutrinos.

研究动机与目标

• 解决为何暗物质与重子丰度在今天相似但起源不同的精细调节问题。
• 通过$B-L$守恒机制，将宇宙的重子不对称性与暗物质领域的相应不对称性联系起来。
• 构建一个模型，其中暗物质为质量$M \sim 1$ GeV的轻右手中微子$\nu_R$，通过晚期衰变的媒介粒子非热产生。
• 确保$\nu_R$的丰度与观测到的暗物质密度一致，且不经过热平衡，避免过度产生。
• 维持电弱对称性破缺的一致性，并通过确保$D$-粒子衰变发生在$T \sim 100$ GeV之后，避免$B+L$不对称性的重耦合。

提出的方法

• 引入一个左右对称的规范群$SU(2)_L \times SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$，并引入额外的重Majorana中微子$N$以实现轻子生成。
• 假设存在一种色荷、$SU(2)$单态的媒介粒子$D$，其$B-L = 1$，通过重$N$态的非平衡衰变产生净$B-L$不对称性。
• 确保$D$-粒子在电弱对称性破缺之后衰变，以防止$B+L$不对称性的重耦合。
• 利用$D$-粒子衰变非热产生暗物质候选者$\nu_R$，避免热丰度的过度产生。
• 赋予$\nu_R$约1 GeV的质量，以匹配观测到的暗物质能量密度，与$\Omega_{\rm dm}/\Omega_b \sim 5$一致。
• 引入一个离散对称性（类比R-Parity）以保护$\nu_R$不发生衰变，确保其作为稳定暗物质候选者的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在无需精细调节的情况下解释观测到的暗物质与重子丰度的相似性？
• RQ2 是否可能通过共同的$B-L$不对称性机制，生成与重子不对称性匹配的暗物质遗迹丰度？
• RQ3 如何非热地产生一个约1 GeV的轻右手中微子（$\sim 1$ GeV）并使其拥有正确的遗迹密度？
• RQ4 为避免$B+L$不对称性的重耦合并确保$\nu_R$的后期产生，$D$-粒子衰变需满足哪些约束条件？
• RQ5 像$\nu_R$这样的非热暗物质候选者是否能与结构形成及宇宙学观测一致？

主要发现

• 该模型成功通过$D$粒子的非热衰变产生质量约为1 GeV的右手中微子$\nu_R$，其丰度与观测到的暗物质密度一致。
• $D$-粒子质量约为TeV，具有强相互作用但寿命较长，衰变宽度满足$\Gamma_D/M_D \sim 10^{-3}$，确保其在电弱对称性破缺之后衰变。
• $\nu_R$通过非热机制产生，避免了热产生导致的过度丰度，因此属于温暗物质，其流体长度约为1 Mpc。
• 轻子生成过程中产生的$B-L$不对称性通过$D$-粒子衰变被传递至暗物质领域，从而在起源上将重子与暗物质丰度联系起来。
• 该模型可在包含$SU(2)_L \times SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$规范群及适当$B-L$荷场的通用见及框架内实现。
• 尽管由于弱相互作用而缺乏直接探测信号，若其质量不过高，$D$-粒子在大型强子对撞机（LHC）上仍可能被产生，提供潜在的对撞机信号。