[论文解读] A Radiative Linear Seesaw, Dark Matter and $U(1)_{B-L}$

Weijian Wang, Zhi-Long Han|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 13

一句话总结

该论文在 U(1)_{B-L} 规范对称性框架下提出了一种辐射线性 seesaw 模型，其中小的轻子数破坏项 μ_L 在一阶微扰图中生成，从而导致 B-L 对称性自发性自发性破缺。残余的 Z₂ × Z₂′ 对称性使两个独立的惰性费米子与标量组分成为可行的两组分暗物质候选者，同时使轻子味破坏、遗迹密度、直接探测和对撞机现象学得以一致研究。

ABSTRACT

In this paper we propose a radiated linear seesaw model where the naturally small term $\mu_{L}$ are generated at one-loop level and its soft-breaking of lepton number symmetry attributes to the spontaneous breaking(SSB) of B-L gauge symmetry. The value of $B-L$ charges for new particles are assigned to satisfy the anomalies cancelation. It is founded that some new particles may have exotic values of $B-L$ charge such that there exists residual $Z_{2} imes Z_{2}^{\prime}$ symmetry even after SSB of $B-L$ gauge symmetry. The $Z_{2} imes Z_{2}^{\prime}$ discrete symmetry stabilizes the these particles as dark matter candidates. In the model, two no-interplay classes of inert fermions and scalars are introduced, leading to two-component dark matter candidates. The lepton flavor violation processes, the relic density of dark matter, the direct detection of dark matter and the phenomenology on collider machine are investigated.

研究动机与目标

• 构建一个辐射线性 seesaw 模型，通过单圈动力学自然生成小的 μ_L 项。
• 通过轻子数的软性破缺实现自发性 B-L 对称性破缺，且与异常抵消一致。
• 在 B-L 破缺后识别出残余离散对称性（Z₂ × Z₂′），以稳定惰性费米子和标量作为暗物质候选者。
• 研究该模型中轻子味破坏、暗物质遗迹密度、直接探测和对撞机信号的理论现象学。
• 通过为新粒子分配适当的 B-L 电荷（包括非标准值）确保异常抵消，同时保持残余对称性。

提出的方法

• 引入一种辐射线性 seesaw 机制，其中小的 μ_L 项通过涉及新重费米子和标量的圈图在一阶微扰图中生成。
• 实施 U(1)_{B-L} 规范对称性，并通过轻子数的软性破缺触发自发性 B-L 对称性破缺。
• 为新粒子分配 B-L 电荷（包括非标准值），以确保异常抵消，并在对称性破缺后保持残余的 Z₂ × Z₂′ 离散对称性。
• 利用残余的 Z₂ × Z₂′ 对称性稳定两个独立的惰性规范：一个费米子型，一个标量型，二者均对暗物质有贡献。
• 构建完整的拉格朗日量，包括动能项、规范项、Yukawa 项和标量势能项，确保与规范不变性及异常抵消的一致性。
• 对轻子味破坏过程、通过热冻结过程的暗物质遗迹密度、直接探测截面以及对撞机信号进行解析与数值研究。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 U(1)_{B-L} 规范模型中，如何在一阶微扰图中自然生成线性 seesaw 中的小 μ_L 项？
• RQ2 自发性 B-L 对称性破缺后，哪些残余离散对称性出现？它们如何稳定暗物质？
• RQ3 该模型中轻子味破坏过程的含义是什么？其预测是否在当前实验限制范围内？
• RQ4 两组分暗物质的预测遗迹密度是多少？是否与观测到的宇宙学值一致？
• RQ5 惰性费米子与标量暗物质组分的直接探测与对撞机信号前景如何？

主要发现

• μ_L 项通过辐射 seesaw 机制在一阶微扰图中生成，为其中的微小性提供了自然解释。
• 通过轻子数的软性破缺实现自发性 B-L 对称性破缺，残余的 Z₂ × Z₂′ 对称性稳定了惰性费米子和标量作为暗物质候选者。
• 该模型包含两个独立的暗物质组分——一个费米子型，一个标量型——均由残余离散对称性稳定。
• 轻子味破坏过程在一阶微扰图中诱导产生，其大小受当前实验限制约束，具体取决于模型参数。
• 两组分暗物质情景可通过热冻结过程重现观测到的暗物质遗迹密度，且在参数空间中存在满足宇宙学约束的可行区域。
• 两种暗物质组分的直接探测截面预测均低于当前实验灵敏度，而惰性标量与费米子的对撞机信号在高能对撞机中仍具有可观测性。