[论文解读] A Multicomponent Dark Matter in a Model with Mirror Symmetry with Additional Charged Scalars

Mirza Satriawan|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种基于镜像对称性的多组分暗物质模型，引入了额外的带电标量粒子，其中镜像光子通过镜像标量的非零真空期望值（VEV）获得大质量，从而产生来自镜像双态电子的keV量级温暗物质组分，以及来自更重镜像核子的冷暗物质组分。该模型通过镜像单态电子的缓慢衰变实现熵产生，满足大爆炸核合成（BBN）约束，冷暗物质与温暗物质的比例由希格斯场与镜像希格斯场的VEV比值决定。

ABSTRACT

A model with a mirror symmetry whose particles content consist of the ordinary SM particles (plus the right handed neutrinos) and their parity mirror partners, can provide a multicomponent dark matter consist of cold and warm dark matter components. I add to the original mirror model a singlet scalar and its mirror partner, whose quantum numbers are the same as the singlet right handed electron (and its mirror-partner). The new scalar can have a zero VEV, while its mirror partner VEV is non zero. As consequences mirror photon will obtain mass whose order is around the neutral mirror weak boson mass, rendering the mirror electromagnetic-like interaction similar like a mirror weak interaction. There is a mixing among the ordinary neutrinos, mirror neutrinos, the singlet and the doublet mirror electrons. As a result the mirror doublet electrons can have masses in the keV order, becoming the warm dark matter component of this model. The cold dark matter component comes from the mirror nucleons that can have mass larger than the ordinary nucleons. The Big Bang Nucleosynthesys constraint can be avoided by a large entropy production in the ordinary sector due to a slow decay of mirror singlet electrons. The temperature ratio of the two sectors is approximately proportional to the ratio of the VEV's of the ordinary and mirror Higgs, and this also will determine the cold-warm dark matter contribution to the cosmic energy density.

研究动机与目标

• 通过提出混合冷暗物质与温暗物质的场景，解决宇宙学中的小尺度结构问题。
• 通过引入keV量级的温暗物质组分，缓解温暗物质模型与莱曼-α森林约束之间的矛盾。
• 通过镜像单态电子的缓慢衰变实现熵产生，避免大爆炸核合成（BBN）约束。
• 通过引入额外标量场的改进镜像模型，生成包含冷与温组分的可行暗物质领域。
• 建立暗物质组分比例与希格斯场和镜像希格斯场VEV比值之间的联系。

提出的方法

• 引入一个新的标量场及其与右手中微子及其镜像伙伴量子数相同的镜像伙伴。
• 通过赋予镜像标量非零VEV来打破镜像对称性，从而通过U(1)X规范玻色子使镜像光子获得大质量。
• 利用所得的镜像光子质量来抑制长程镜像电磁相互作用，避免与子弹星系团观测结果产生矛盾。
• 实现普通费米子与镜像费米子、单态、镜像双态电子之间的混合，导致镜像双态电子获得keV量级的质量。
• 通过镜像单态电子衰变至普通物质领域来实现熵产生，从而提高普通物质领域的温度相对于镜像领域的温度。
• 利用相对论统计力学与熵守恒，计算镜像双态电子的能量密度，作为两 sector 温度比与镜像电子质量的函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有镜像标量非零VEV的镜像模型是否能生成使长程镜像电磁相互作用被抑制的镜像光子质量？
• RQ2 普通与镜像费米子之间的混合是否会导致镜像双态电子获得keV量级的质量，使其成为可行的温暗物质候选者？
• RQ3 镜像单态电子衰变至普通物质领域是否能产生足够的熵以满足大爆炸核合成约束？
• RQ4 冷暗物质与温暗物质组分的比例如何依赖于希格斯场与镜像希格斯场VEV的比值？
• RQ5 镜像双态电子对总暗物质能量密度的贡献是多少？其是否可调至符合观测约束？

主要发现

• 由于镜像标量的非零VEV，镜像光子获得大质量——其量级与中性镜像弱玻色子质量相当——从而抑制了长程镜像电磁相互作用。
• 通过与单态标量及镜像中微子的混合，镜像双态电子获得keV量级的质量，使其成为可行的温暗物质候选者。
• 该模型预测温暗物质组分的能量密度为：当 m_E = 7.1 keV 且 T′/T = 0.1 时，Ω_E ≈ 0.5 Ω_B；当 T′/T = 0.2 时，Ω_E ≈ 4.8 Ω_B，具体取决于温度比。
• 冷暗物质组分来自更重的镜像核子，当 ξ ≈ 0.1 时，m_p′ ≈ 1.8 GeV，对总暗物质密度有显著贡献。
• 通过镜像单态电子缓慢衰变至普通物质领域实现熵产生，使镜像领域保持比普通领域更冷，从而满足大爆炸核合成约束。
• 冷暗物质与温暗物质的比例由VEV比值 ξ 间接控制，使该模型可通过未来对希格斯混合或惰性-活性中微子混合的测量实现可检验性。