[论文解读] Asymmetric Matters from a Dark First-Order Phase Transition

E. Hall, Thomas Konstandin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 76被引用 15

一句话总结

该论文提出一个极简且可重整化的模型，其中重子数不对称性和暗物质不对称性均源自一个具有两个希格斯双态的暗 SU(3)′×SU(2)′×U(1)′ 规范结构，且包含与标准模型（SM）相似的物质。暗重子不对称性通过右手中微子门控和萨菲利安过程传递至标准模型，最终留下GeV量级的暗强子——即暗反中子（1.36或1.63 GeV）或暗反质子与π介子——作为不对称暗物质，其在直接探测和暗光子实验中具有高度可检验性。

ABSTRACT

We introduce a model for matters-genesis in which both the baryonic and dark matter asymmetries originate from a first-order phase transition in a dark sector with an $SU(3) imes SU(2) imes U(1)$ gauge group and minimal matter content. In the simplest scenario, we predict that dark matter is a dark antineutron with mass either $m_{\bar{n}} = 1.36$ GeV or $m_{\bar{n}} = 1.63$ GeV. Alternatively, dark matter may be comprised of equal numbers of dark antiprotons and pions. This model, in either scenario, is highly discoverable through both dark matter direct detection and dark photon search experiments. The strong dark matter self interactions may ameliorate small-scale structure problems, while the strongly first-order phase transition may be confirmed at future gravitational wave observatories.

研究动机与目标

• 通过一个极小且可重整化的暗区机制，统一解释重子不对称性与暗物质丰度的起源。
• 通过强暗强子相互作用导致的速度依赖型暗物质自相互作用，解决小尺度结构问题。
• 为未来的引力波天文台与直接探测实验提供可检验的框架。
• 通过中微子门控与SM萨菲利安过程统一重子与暗物质不对称性，避免依赖高维算符。

提出的方法

• 引入一个具有 SU(3)′×SU(2)′×U(1)′ 规范对称性、两个希格斯双态，以及包含一个右手中微子单态的一代SM类似物质的暗区。
• 通过两希格斯双态机制，在强一阶相变期间实现暗区中的电弱重子生成。
• 利用中微子门控耦合（Yn, yN）将暗轻子不对称性与SM连接，通过SM萨菲利安过程实现传递。
• 将暗物质建模为对称暗强子湮灭成大质量暗光子后残留的不对称组分。
• 引入暗U(1)′光子与SM超荷之间的动能混合，使暗光子可衰变为SM末态。
• 使用可重整化耦合，并假设暗中微子在SM萨菲利安过程冻结后发生衰变，以推导最终的重子与轻子不对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在暗 SU(3)′×SU(2)′×U(1)′ 区域中，强一阶相变是否能通过一个极小且可重整化的机制同时生成重子与暗物质不对称性？
• RQ2 如何将暗轻子不对称性传递至SM区域，以产生观测到的重子不对称性，且不依赖高维算符？
• RQ3 该模型中可行的暗物质候选者有哪些？其质量与相互作用如何影响可探测性？
• RQ4 该模型是否能产生来自一阶相变的引力波信号，可被未来如LISA或BBO等天文台探测？
• RQ5 所产生的GeV量级暗强子是否表现出速度依赖型自相互作用，从而能够缓解星系中的小尺度结构问题？

主要发现

• 该模型预测了两个可行的暗物质候选者：质量为 m¯n = 1.36 GeV 或 m¯n = 1.63 GeV 的暗反中子。
• 另一种可能是暗物质由等量的暗反质子与暗π介子组成，两者均为GeV量级质量。
• 当暗中微子在SM萨菲利安过程解耦后发生衰变时，预测的最终SM重子不对称性为 B = −36/133B′。
• 该模型会产生来自一阶相变的引力波信号，可能被未来如LISA、BBO和DECIGO等天文台探测到。
• GeV量级暗强子的强自相互作用可自然产生满足缓解小尺度结构问题所需量级的速度依赖型散射截面。
• 该模型具有高度可检验性：暗物质直接探测实验与暗光子搜寻（如NA64、FASER、LHCb）可探测到所预测的参数空间。