[论文解读] Bound-state dark matter with Majorana neutrinos

Mario Reig, Diego Restrepo+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 38被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种束缚态暗物质模型，其中暗物质源自一个通过 $\operatorname{U}(1)_D$ 对称性稳定的稳定色八重态狄拉克费米子 $\tilde{\mathcal{Q}}$，而中微子则通过交换带色标量双态 $\eta_a$ 获得辐射修正的马约拉纳质量。该模型统一了暗物质与中微子质量的生成机制，预测无中微子双贝塔衰变的有效马约拉纳中微子质量存在下限，并且在标量质量大于费米子质量的条件下，可至普朗克尺度保持微扰性且无兰道极点。

ABSTRACT

We propose a simple scenario in which dark matter (DM) emerges as a stable neutral hadronic thermal relics, its stability following from an exact $\operatorname{U}(1)_D$ symmetry. Neutrinos pick up radiatively induced Majorana masses from the exchange of colored DM constituents. There is a common origin for both dark matter and neutrino mass, with a lower bound for neutrinoless double beta decay. Direct DM searches at nuclear recoil experiments will test the proposal, which may also lead to other phenomenological signals at future hadron collider and lepton flavour violation experiments.

研究动机与目标

• 提出一个可行且紫外完备的框架，使暗物质与中微子质量源于同一来源并通过辐射机制生成。
• 通过 $\operatorname{U}(1)_D$ 对称性而非 $B-L$ 稳定束缚态暗物质，同时允许中微子为马约拉纳费米子。
• 通过生成至少两个非零中微子质量，确保与中微子振荡数据的一致性。
• 探索在直接暗物质探测、轻子味违反以及未来强子对撞机中的现象学信号。
• 证明当标量质量超过费米子质量时，该模型在至普朗克尺度范围内保持微扰性，避免兰道极点。

提出的方法

• 引入一个在 $\operatorname{SU}(3)_c$ 下为色八重态且在 $\operatorname{U}(1)_D$ 下带荷的重狄拉克费米子 $\mathcal{Q}$，通过全局对称性确保其稳定性。
• 引入两个具有相反 $\operatorname{U}(1)_D$ 荷的带色 $\operatorname{SU}(2)_L$ 双态标量 $\eta_a$，以介导中微子质量的生成。
• 通过 $\mathcal{Q}$ 和 $\eta_a$ 在圈图中循环，实现一阶微扰论下中微子马约拉纳质量的生成。
• 构建一个尊重 $\operatorname{U}(1)_D$ 对称性与 CP 守恒的希格斯势 $\mathcal{V}(H,\eta_a)$，禁止树图层级的中微子质量。
• 利用一阶有效中微子质量矩阵 $\mathcal{M}_\nu \sim \frac{N_c M_{\mathcal{Q}}}{32\pi^2} (h_i y_j + h_j y_i)$ 计算辐射诱导的马约拉纳质量。
• 通过要求 $M_{\eta_a} > M_{\mathcal{Q}}$ 确保渐近自由并避免兰道极点，其中标量八重态数量为 $n_\eta = 2$。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过 $\operatorname{U}(1)_D$ 对称性而非 $B-L$ 稳定束缚态暗物质，同时允许中微子为马约拉纳费米子？
• RQ2 在具有带色暗物质组分的模型中，生成辐射修正马约拉纳中微子质量的一阶微扰机制是什么？
• RQ3 该模型中暗物质费米子及其标量伙伴的质量尺度受到宇宙学与对撞机约束的限制如何？
• RQ4 该模型如何预测无中微子双贝塔衰变中有效马约拉纳中微子质量的下限？
• RQ5 该模型中的带色标量与费米子态是否可能在未来的强子对撞机或轻子味违反实验中产生独特信号？

主要发现

• 该模型通过包含 $\mathcal{Q}$ 和 $\eta_a$ 的一阶圈图生成辐射修正的马约拉纳中微子质量，其有效质量矩阵为 $\mathcal{M}_\nu \sim \frac{N_c M_{\mathcal{Q}}}{32\pi^2} (h_i y_j + h_j y_i)$。
• 该模型预测在正常中微子质量排序下，有效马约拉纳中微子质量 $\langle m_{\nu} \rangle \gtrsim 0.02$ eV，具体取决于 Yukawa 耦合。
• 直接暗物质探测实验有望探测该模型，因为 $\mathcal{Q}\mathcal{Q}$ 绑定态可诱导核反冲。
• 当标量质量 $M_{\eta_a}$ 超过费米子质量 $M_{\mathcal{Q}}$ 时，该模型在至普朗克尺度范围内为紫外完备且无兰道极点。
• 在 100 TeV 对撞机中，$\mathcal{Q}\bar{\mathcal{Q}}$ 与 $\eta_1\bar{\eta}_1$ 的对产截面相近，导致具有额外轻子或缺失能量的相似信号。
• 由 $\mathcal{Q}$ 和 $\eta_a$ 介导的带电轻子味违反过程可能达到可探测水平，具体取决于标量质量与 Yukawa 耦合。