[论文解读] A dark force for baryons

Michael L. Graesser, Ian M. Shoemaker+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 77被引用 21

一句话总结

本文通过一个自发对称性自发破缺的 U(1)_B 规范对称性，提出了一种统一的重子物质与暗物质起源，该对称性稳定了质子并生成了约 GeV 能量尺度的暗物质候选者。在超对称模型中，Affleck-Dine 机制同时产生了重子物质与暗物质的不对称性，暗物质的遗迹丰度由 Z_B 介导的湮灭过程决定，对于低至 GeV 能量尺度的媒介子，该模型与直接探测和对撞机约束一致。

ABSTRACT

We suggest the existence of a fundamental connection between baryonic and dark matter. This is motivated by both the stability of these two types of matter as well as the observed similarity of their present-day densities. A unified genesis of baryonic and dark matter is natural in models in which the baryon number is promoted to a spontaneously broken local gauge symmetry. This is illustrated in a specific class of SUSY models using the Affleck-Dine mechanism. The dark matter candidate in these scenarios is charged under the baryon gauge symmetry and must have a mass around the GeV scale to give the correct present-day abundance. We discuss constraints from B-factories, LEP, mono-jet searches at the Tevatron, and dark matter direct detection experiments. A baryonic dark force is shown to be consistent with all data for mediators as light as the GeV scale.

研究动机与目标

• 通过统一的起源机制解释观测到的重子物质与暗物质遗迹丰度之间的相似性。
• 通过将重子数提升为局部 U(1)_B 规范对称性来解决质子稳定性问题，确保其在所有阶次下守恒。
• 识别出自然地从与重子相同的规范场中产生的暗物质候选者，其质量位于 GeV 范围内。
• 在广泛参数空间中确保与宇宙学、对撞机和直接探测约束的一致性。
• 证明在超对称模型中，通过 Affleck-Dine 机制可同时生成重子物质与暗物质不对称性。

提出的方法

• 将重子数提升为局部 U(1)_B 规范对称性，从而产生一个新的异常全局对称性与一个新的规范玻色子 Z_B。
• 引入一个 SM singlet 的手征超多重态 X 作为暗物质候选者，其稳定性源于其在 U(1)_B 下的电荷。
• 利用超对称平坦方向实现 Affleck-Dine 机制，以同时生成重子物质与暗物质不对称性。
• 通过引入具有特定 U(1)_B 电荷的奇异夸克来确保异常抵消，并允许其通过一个单重态超多重态衰变。
• 构建一个非异常的意外全局对称性 U(1)_D，统一重子物质与暗物质数的守恒。
• 通过 Z_B 介导的湮灭过程计算遗迹丰度，并利用 B 介子工厂、LEP、Tevatron 单胶子喷射以及直接探测数据约束耦合常数。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过一个自发破缺的 U(1)_B 规范对称性，实现重子物质与暗物质的统一起源？
• RQ2 在超对称模型中，Affleck-Dine 机制如何同时生成重子物质与暗物质不对称性？
• RQ3 为重现观测到的遗迹丰度，暗物质候选者的质量范围应为多大？
• RQ4 B 介子工厂、LEP、Tevatron 单胶子喷射搜索以及直接探测实验的约束如何限制该模型？
• RQ5 向量耦合的暗物质候选者能否在质量轻（GeV 能量尺度）且稳定的情况下，仍与直接探测极限保持一致？

主要发现

• 暗物质候选者是质量在 GeV 范围内、带 U(1)_B 规范对称性电荷的粒子，其质量自然被限制在亚 GeV 至数十 GeV 范围内，以重现正确的遗迹丰度。
• 通过 Affleck-Dine 机制同时生成重子物质与暗物质不对称性，导致原初不对称性比值 η_B/η_X ≈ 1，从而解释了观测到的遗迹密度相似性。
• 对于与 Z_B 规范玻色子的向量耦合，暗物质候选者必须处于 GeV 范围内，以避开直接探测约束，与当前实验限制一致。
• 当 Z_B 媒介子质量低至 GeV 范围时，该模型仍与所有现有约束（包括 B 介子工厂、LEP、Tevatron 单胶子喷射和直接探测实验）保持一致。
• 在高温下满足 μ_u = μ_d, μ_e = μ_ν = 0, 且 μ_0 = 0 的解，可确保轻子数被洗出，同时通过非异常的 U(1)_D 对称性保持重子数守恒。
• 电弱相变以上，Sphaleron 过程停止作用，所得到的化学势解（μ_0 = 0）确保了重子数不对称性被保留，而轻子数被洗出。