[论文解读] A Model of Neutrino Mass and Dark Matter with an Accidental Symmetry

Amine Ahriche, Kristian L. McDonald+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 16

一句话总结

该论文提出了一种具有意外 $Z_2$ 对称性的辐射中微子质量模型，该模型同时解释了中微子质量并提供了一个稳定的暗物质（DM）候选者，而无需引入新的基本对称性。DM 是一个七重态费米子的中性分量，质量约为 20–25 TeV，而该模型预测了一个可被对撞机探测到的 TeV 能量标度的带电标量，并通过三代费米子抑制轻子 flavor 破坏，与当前实验约束一致。

ABSTRACT

We present a model of radiative neutrino mass that automatically contains an accidental $Z_2$ symmetry and thus provides a stable dark matter candidate. This allows a common framework for the origin of neutrino mass and dark matter without invoking any symmetries beyond those of the Standard Model. The model can be probed by direct-detection experiments and $μ ightarrow e+γ$ searches, and predicts a charged scalar that can appear at the TeV scale, within reach of collider experiments.

研究动机与目标

• 在标准模型框架内统一中微子质量与暗物质的起源，避免引入显式的新型对称性。
• 识别一种机制，其中暗物质的稳定性并非源于基本的 $Z_2$ 对称性，而是源于辐射中微子质量模型中的意外 $Z_2$ 对称性。
• 确保模型与低能约束一致，包括轻子 flavor 破坏、μ子反常磁矩和遗迹密度。
• 探讨模型在 Sommerfeld 增强效应下的可行性，并评估暗物质与奇异标量的质量标度要求。

提出的方法

• 该模型在标准模型基础上扩展了带电单态标量 $S^+$、标量七重态 $\phi$ 和三个实七重态费米子 $\mathcal{F}_i$，它们在 $SU(2)_L \times U(1)_Y$ 下具有特定的超荷。
• 中微子质量在三圈图层次通过类似于 KNT 模型的图拓扑结构生成，其中 $\mathcal{F}_i$ 费米子和 $\phi$ 标量作为圈内传播子。
• 意外的 $Z_2$ 对称性源于费米子质量矩阵结构和电荷分配，确保最轻的 $\mathcal{F}_i$ 分量稳定并作为暗物质候选者。
• 模型包括 $\mathcal{F}_i$ 与 SM 轻子之间的 Yukawa 耦合 $g_{i\alpha}$，以及 $\phi$ 与 SM 带电轻子之间的 $f_{\alpha\beta}$ 耦合，这些耦合产生轻子 flavor 破坏。
• 通过数值扫描满足中微子振荡数据、遗迹密度约束以及 $\mu \to e + \gamma$ 的限制，Sommerfeld 增强效应通过重新标定 DM 质量来近似处理。
• 假设标量势 $V(H, S, \phi)$ 稳定真空并生成奇异场的质量，其中在可行区域中 $M_\phi \sim 20$ TeV 且 $M_S \sim 500$ GeV。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个辐射中微子质量模型是否能自然地包含一个稳定的暗物质候选者，而无需强制施加显式的 $Z_2$ 对称性？
• RQ2 满足中微子振荡数据和遗迹密度约束的奇异费米子与标量的质量和耦合范围有哪些可行区间？
• RQ3 轻子 flavor 破坏过程（如 $\mu \to e + \gamma$）如何约束该模型，且其是否仍与当前实验约束一致？
• RQ4 Sommerfeld 增强效应对所需暗物质质量的影响有多大，该模型在该修正下是否仍具可行性？
• RQ5 该模型是否能预测一个 TeV 能量标度的带电标量，且其是否可被未来的对撞机实验探测到？

主要发现

• 该模型通过意外的 $Z_2$ 对称性在三圈图层次实现了可行的中微子质量生成，该对称性稳定了暗物质候选者。
• 七重态费米子 $\mathcal{F}_i$ 的中性分量作为暗物质候选者，其质量范围为 19.7–23.1 TeV，当考虑 Sommerfeld 增强效应时，优选质量值为 21.7 TeV。
• 为满足约束条件，标量七重态 $\phi$ 的质量必须大于 19.9 TeV，而带电标量 $S^+$ 可保持较轻，约为 500 GeV。
• $\mu \to e + \gamma$ 的分支比被抑制了 4–6 个数量级，低于实验上限，使该模型可能被未来的高灵敏度实验检验。
• 为避免违反 $\mu \to e + \gamma$ 的限制，该模型需要三组 $\mathcal{F}_i$ 费米子；若仅有两组，则该限制将被违反。
• 该模型预测了一个 TeV 能量标度的带电标量，可能在未来对撞机实验中被发现，且在观测到的差异范围内与 μ 子反常磁矩一致。