[论文解读] Right-handed sneutrinos as self-interacting dark matter in supersymmetric economical 3-3-1 model

H. N. Long|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用 6

一句话总结

该论文提出，在超对称经济型3-3-1模型中，右手中微子超伴粒子由于通过希格斯玻色子的弱相互作用以及作为最轻的超轻子而具有稳定性，可作为自相互作用暗物质（SIDM）。该模型自然满足Spergel-Steinhardt对SIDM的条件，无需额外对称性即可得出质量上限≤10 MeV，且自相互作用强度由D项和超对称性固定。

ABSTRACT

In this work we show that the supersymmetric economical SU(3)_C X SU(3)_L X U(1)_X (3-3-1) gauge model has a realistic candidate for self-interacting dark matter. In the model under consideration, the right-handed sneutrino is in bottom of the triplet, which is a singlet of the Standard Model SU(2)_L group. In addition, the right-handed sneutrino is the lightest slepton. By these properties, the right-handed sneutrino is weakly interacting with the Standard Model and stable without introduction of extra symmetry. From the Spergel-Steinhardt condition, the typical mass limit $\leq 10 $ MeV is derived. With self-interacting coupling constant fixed by supersymmetry, this limit is deduced without any approximation. The condition for thermal generated self-interacting dark matter in the Universe is also obtained.

研究动机与目标

• 在不引入额外对称性的前提下，识别超对称3-3-1模型扩展中的一个现实且稳定的暗物质候选者。
• 通过提出自相互作用暗物质（SIDM）机制，解决冷暗物质（CCDM）在星系结构模拟中的不足。
• 证明右手中微子超伴粒子满足SIDM的Spergel-Steinhardt条件，并与观测到的暗物质密度一致。
• 推导该模型中早期宇宙自相互作用暗物质产生的热遗迹丰度条件。
• 表明自相互作用耦合常数由超对称性和D项固定，从而无需人为假设。

提出的方法

• 该模型采用超对称经济型3-3-1规范群 $SU(3)_C \otimes SU(3)_L \otimes U(1)_X$，右手中微子超伴粒子在 $SU(2)_L$ 下为单态，且为最轻的超轻子。
• 右手中微子超伴粒子通过其 $L = -1$ 轻子数和与标准模型规范玻色子无耦合而获得稳定性，确保长期稳定，无需额外对称性。
• 自相互作用截面由拉格朗日量中的D项推导得出，耦合强度被固定，无自由参数。
• 应用Spergel-Steinhardt条件于SIDM，利用希格斯介导的散射振幅推导出质量上限 $m_S \leq 10$ MeV。
• 通过包含 $g(T) \approx 260$ 的超对称模型的玻尔兹曼方程计算热遗迹丰度，确保 $\Omega_{\text{DM}} \approx 0.3$。
• 从希格斯衰变宽度 $\Gamma_H = \lambda_H^2 / (16\pi m_H)$ 和条件 $\lambda_H \approx 1.89 \times 10^{-6} \times (g(T)/260)^{3/8} \times (m_H/90\,\text{GeV})^{5/4} \times (m_S/30\,\text{MeV})^{-1/4}$ 推导出数值约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超对称经济型3-3-1模型中，右手中微子超伴粒子是否可在不引入额外对称性的前提下，作为稳定且自相互作用的暗物质候选者？
• RQ2 该模型是否满足自相互作用暗物质的Spergel-Steinhardt条件，且质量上限为≤10 MeV？
• RQ3 在超对称性和D项框架下，右手中微子超伴粒子的自相互作用耦合常数如何被固定？
• RQ4 右手中微子的热遗迹丰度是多少？是否与观测到的暗物质密度 $\Omega_{\text{DM}} \approx 0.3$ 一致？
• RQ5 该模型能否产生质量与星系晕核结构天体物理约束一致的自相互作用暗物质候选者？

主要发现

• 右手中微子超伴粒子是超对称经济型3-3-1模型中自然的自相互作用暗物质（SIDM）候选者，其质量受Spergel-Steinhardt条件约束在 $m_S \leq 10$ MeV 以内。
• 自相互作用耦合常数由D项和超对称性固定，无需人为假设或额外对称性。
• 该模型产生的热遗迹丰度与 $\Omega_{\text{DM}} \approx 0.3$ 一致，满足观测到的暗物质密度。
• 希格斯介导的散射振幅给出耦合强度 $\lambda_H \approx 1.89 \times 10^{-6} \times (g(T)/260)^{3/8} \times (m_H/90\,\text{GeV})^{5/4} \times (m_S/30\,\text{MeV})^{-1/4}$，确保所需的自相互作用截面。
• 标准模型希格斯玻色子质量在树图水平预测为 $m_H \approx 91.573$ GeV，与实验限制一致，且预期量子修正会使其增大。
• 该模型保持了最小希格斯规范结构和丰富的中微子现象学，其超对称版本高度受约束且具有良好的现象学可行性。