[论文解读] A Brief Review on WIMPs in 331 Electroweak Gauge Models

P. S. Rodrigues da Silva|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 4被引用 5

一句话总结

本文综述了基于 $SU(3)_c \otimes SU(3)_L \otimes U(1)_X$ 规范群的331电弱模型中，弱相互作用大质量粒子（WIMPs）作为冷暗物质候选者的可能性。分析了两种变体——331RH$\nu$ 和 331LHN，重点研究了稳定 WIMPs 的对称性机制，主要结果表明：在 331LHN 模型中，TeV 能量尺度的标量 WIMP 与原初丰度和直接探测结果相容，而 $Z'$ 约束将对称性自发破缺尺度推至 $v_{\chi'} \gtrsim 10$ TeV。

ABSTRACT

In this work we review the cold dark matter problem in the context of a class of models which are a simple extension of the electroweak standard model, where the gauge symmetry is dictated by the group structure, $SU(3)_c\otimes SU(3)_L\otimes U(1)_X$. This model, in different versions, has been able to address many interesting facts not explained by the standard model. It would be just desirable that the dark matter issue could be contemplated as well, since the problem of the missing matter has become one of the greatest indications of incompleteness of currently established theories describing the known interactions and the cosmological evolution and content of the observed Universe. We do that by pointing out some of the successful steps in this direction and remarking some sources of difficulties concerning their phenomenological and theoretical implementation.

研究动机与目标

• 评估具有扩展规范对称性的331模型是否能自然容纳稳定的WIMP暗物质候选者。
• 研究全局和离散对称性在通过高维算符保护WIMP免于衰变中的作用。
• 评估WIMP在331RH$\nu$和331LHN模型中的现象学可行性，综合考虑宇宙学、对撞机和直接探测的约束。
• 比较两种模型变体在原初丰度、直接探测截面和 $Z'$ 玻色子质量限制方面的表现。

提出的方法

• 分析331RH$\nu$和331LHN模型中的 $SU(3)_c \otimes SU(3)_L \otimes U(1)_X$ 规范结构及费米子内容。
• 评估标量和费米子WIMP在自发对称性破缺和引力效应下的稳定性。
• 应用有效场论技术，计算通过五维和六维算符的WIMP衰变速率。
• 利用原初丰度计算和直接探测截面估计，检验与Planck和LUX数据的相容性。
• 施加来自电弱精确测量数据和不可见衰变模式推导出的 $Z'$ 玻色子质量约束。
• 引入W-奇偶性作为离散对称性，以稳定331LHN中的最轻中性费米子，类比于超对称中的R-奇偶性。

实验结果

研究问题

• RQ1 331RH$\nu$ 模型能否通过轻子数对称性保护标量WIMP候选者，引力修正的影响是什么？
• RQ2 331LHN 模型如何通过新左手中性费米子生成可行的WIMP候选者，何种对称性确保其稳定性？
• RQ3 在两种331模型中，WIMP质量与 $Z'$ 玻色子质量受到哪些宇宙学与现象学约束？
• RQ4 直接探测截面与原初丰度计算如何约束标量和费米子WIMP的参数空间？
• RQ5 331LHN 模型能否在与LHC希格斯玻色子数据和 $Z'$ 约束一致的前提下，解释银心伽马射线过量？

主要发现

• 在331RH$\nu$模型中，标量WIMP由于引力效应，其寿命约为 $\tau \approx 10^{43}$ s，尽管存在自发对称性破缺，仍可视为有效稳定。
• 在331RH$\nu$模型中，质量约为1 TeV的标量WIMP与原初丰度和直接探测约束相容。
• 在331LHN模型中，全局 $U(1)_G$ 对称性因轻子数破坏的有效算符而无法稳定WIMP，因此需要引入新的离散W-奇偶性对称性。
• 在引入W-奇偶性的331LHN模型中，标量WIMP的质量满足 $m_\phi \gtrsim 500$ GeV 且 $v_{\chi'} \gtrsim 10$ TeV，与 $Z'$ 质量约束和LUX直接探测极限一致。
• 331LHN 中最轻的重中性费米子 $N_1$ 可作为质量约为1 TeV的可行WIMP，与原初丰度和直接探测结果相容，当 $M_N \lesssim 1$ TeV 时，要求 $M_{Z'} \gtrsim 2$ TeV。
• 当 $25 \lesssim m_\phi \lesssim 40$ GeV 时，该模型可解释银心伽马射线过量，但此情形被LHC希格斯玻色子数据排除，因预测 $m_\phi \lesssim 60$ GeV 时分支比超过90%衰变为两个WIMP。