[论文解读] A Unified Theory of Matter Genesis: Asymmetric Freeze-In

Lawrence J. Hall, John March-Russell+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 44被引用 40

一句话总结

该论文提出了一种通过热冻结生成机制统一解释暗物质（DM）产生与重子生成的机制，其中可见 sector 与隐藏 sector 之间的弱相互作用通过 CP 违反衰变生成了关联的重子数与 DM 数不对称性。该模型在无需微调的情况下解释了观测到的 DM 与重子密度比（$Ω_d/Ω_b \approx 4.86$），并具有可检验的信号特征，包括长寿命的亚稳态粒子、位移顶点以及对撞机中相关的电偶极矩（EDM）。

ABSTRACT

We propose a unified theory of dark matter (DM) genesis and baryogenesis. It explains the observed link between the DM density and the baryon density, and is fully testable by a combination of collider experiments and precision tests. Our theory utilises the "thermal freeze-in" mechanism of DM production, generating particle anti-particle asymmetries in decays from visible to hidden sectors. Calculable, linked, asymmetries in baryon number and DM number are produced by the feeble interaction mediating between the two sectors, while the out-of-equilibrium condition necessary for baryogenesis is provided by the different temperatures of the visible and hidden sectors. An illustrative model is presented where the visible sector is the MSSM, with the relevant CP violation arising from phases in the gaugino and Higgsino masses, and both asymmetries are generated at temperatures of order 100 GeV. Experimental signals of this mechanism can be spectacular, including: long-lived metastable states late decaying at the LHC; apparent baryon-number or lepton-number violating signatures associated with these highly displaced vertices; EDM signals correlated with the observed decay lifetimes and within reach of planned experiments; and a prediction for the mass of the dark matter particle that is sensitive to the spectrum of the visible sector and the nature of the electroweak phase transition.

研究动机与目标

• 解释标准模型无法在不微调的情况下解释的暗物质与重子遗迹密度之间的观测巧合（$\Omega_d/\Omega_b \approx 4.86$）
• 在单一机制中统一重子生成与暗物质产生，避免独立且解耦的生成过程
• 提出一个完全可计算、可检验的框架，基于热冻结生成机制，独立于不确定的高能标物理或再加热温度
• 识别出独特的可观测信号，如晚期衰变的亚稳态粒子和来自 CP 违反相位的关联电偶极矩（EDM）

提出的方法

• 利用热冻结生成机制，其中 DM 与重子不对称性通过可见 sector 向具有 $Z_2$ 奇性稳定性的隐藏 sector 的弱衰变产生
• 通过 MSSM 中 gaugino 与 Higgsino 质量中的相位引入 CP 破坏，实现重子数与 DM 数的非对称产生
• 依赖可见 sector 与隐藏 sector 之间的温度差异，以满足重子生成所需的非平衡条件
• 使用冻结生成产额公式 $Y_X = C_{FI} \frac{M_{Pl} \Gamma}{m_B^2}$ 推导 DM 与重子的遗迹丰度，其中 $C_{FI}$ 取决于自由度与耦合常数
• 将隐藏 sector 建模为在冻结生成后具有温度 $T_{X,i}$，且满足 $T_{X,i}/T_{\rm{vis}} \propto (\epsilon)^{-1/4}$，其中 $\epsilon$ 为耦合强度
• 预测在 LHC 中观测到长寿命隐藏 sector 状态（LOSPs）的晚期衰变，其衰变温度 $T_{\rm{decay}}^{\rm{vis}} \propto m_{\rm{LOSP}}^{1/2} \lambda g_*^{1/4}$，导致可探测的位移顶点，并表现出 $B$ 或 $L$ 数违反的表观行为

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可通过单一机制同时生成观测到的重子不对称性与暗物质遗迹密度而无需微调？
• RQ2 在统一且可计算的框架内，如何解释观测到的 $\Omega_d/\Omega_b \approx 4.86$ 的巧合？
• RQ3 通过热冻结生成机制产生关联不对称性的弱相互作用隐藏 sector 的对撞机与精密测试信号是什么？
• RQ4 是否可通过可见与隐藏 sector 之间的温度差异而非高能标动力学来满足重子生成所需的非平衡条件？
• RQ5 晚期衰变的亚稳态粒子对 LHC 搜索与原初核合成有何影响？

主要发现

• 该模型通过从可见 sector 到隐藏 sector 的 CP 违反衰变实现了关联的重子与暗物质不对称性，其中 DM 遗迹密度为 $\Omega_X h^2 \propto \frac{m_X \Gamma}{m_B^2}$，其中 $\Gamma$ 为衰变速率
• 隐藏 sector 在冻结生成过程中被加热，满足 $T_{X,i}/T_{\rm{vis}} \simeq 0.05 (10^{-3}/\epsilon)^{1/4} (10/g_X)^{1/4} (g_*/100)^{1/4}$，确保隐藏 sector 保持非平衡状态
• LOSP 的衰变温度为 $T_{\rm{decay}}^{\rm{vis}} \simeq 15.5\,{\rm GeV} \left(\frac{m_{\rm{LOSP}}}{100\,{\rm GeV}}\right)^{1/2} \lambda (g_*/100)^{1/4}$，导致 LHC 可探测的位移顶点
• LOSP 衰变时的隐藏 sector 温度为 $T_{X\rm{LOSP-decay}} \simeq 770\,{\rm MeV} \left(\frac{m_{\rm{LOSP}}}{100\,{\rm GeV}}\right)^{1/2} \lambda (10^{-3}/\epsilon)^{1/4} (g_X/10)^{1/4}$，高于典型的隐藏 sector 冻结温度，确保对称 DM 被湮灭
• 该模型预测了相关联的电偶极矩（EDM），其衰变寿命与质量在计划实验的探测范围内，为 CP 违反相位提供了直接检验手段
• X-sector 状态向可见 sector 的晚期衰变可能改变原初核合成的预测，为宇宙学提供额外约束