[论文解读] Can Zee-Babu model implemented with scalar dark matter explain both Fermi-LAT 130 GeV $\gamma$-ray excess and neutrino physics ?

Seungwon Baek, P. Ko Hiroshi Okada+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 35被引用 10

一句话总结

本文通过引入标量暗物质候选者和全局 U(1)B−L 对称性，将 Zee-Babu 模型进行扩展，以同时解释 Fermi-LAT 130 GeV γ 射线线过量和中微子质量。研究表明，在 U(1)B−L 模型中，通过共振湮灭或大真空期望值，暗物质丰度和 γ 射线信号可同时满足，且避免了直接探测和 Higgs 衰变修正的约束。

ABSTRACT

We extend the Zee-Babu model for the neutrino masses and mixings by first incorporating a scalar dark matter $X$ with $Z_2$ symmetry and then $X$ and a dark scalar $\varphi$ with global $U(1)$ symmetry. In the latter scenario the singly and doubly charged scalars that are new in the Zee-Babu model can explain the large annihilation cross section of a dark matter pair into two photons as hinted by the recent analysis of the Fermi $\gamma$-ray space telescope data. These new scalars can also enhance the $B ( H ightarrow \gamma\gamma )$, as the recent LHC results may suggest. The dark matter relic density can be explained. The direct detection rate of the dark matter is predicted to be about one order of magnitude down from the current experimental bound in the first scenario.

研究动机与目标

• 调和 Fermi-LAT 130 GeV γ 射线线过量与可行的暗物质模型。
• 将 Zee-Babu 模型扩展以引入标量暗物质，同时保留其生成中微子质量的机制。
• 探讨 Zee-Babu 模型中的带电标量是否可介导暗物质湮灭为光子。
• 研究该模型在直接探测、Higgs 衰变和真空稳定性约束下的可行性。
• 确定 U(1)B−L 对称扩展是否可在不与现有约束冲突的前提下，同时容纳 γ 射线线和正确的暗物质丰度。

提出的方法

• 引入一个具有 Z2 对称性（X → −X）的实标量暗物质 X，以稳定其状态，并通过 Higgs 门户与 Higgs 粒子及 Zee-Babu 标量耦合。
• 构建一个包含可重整化相互作用的标量势，包括 λHX、λXh、λXk 耦合，以通过圈图介导暗物质湮灭为 γγ。
• 利用玻尔兹曼方程和自旋无关散射振幅分析热退联系数和直接探测截面。
• 通过带电标量的一圈贡献评估 Higgs 衰变分支比 B(H → γγ)，包括干涉效应。
• 提出一个 U(1)B−L 对称扩展，其中复标量 ϕ 获得真空期望值，将 U(1)B−L 破坏为 Z2，稳定暗物质组分。
• 证明在 U(1)B−L 模型中，当 mϕ ≈ 2mR 时，暗物质湮灭为 γγ 可通过共振增强，且通过冻结退却机制实现丰度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在引入标量暗物质的 Zee-Babu 模型中，是否可通过圈诱导的湮灭过程产生光子，从而解释 Fermi-LAT 130 GeV 的 γ 射线线过量？
• RQ2 从直接探测和真空稳定性角度，暗物质与 Zee-Babu 标量之间的混合耦合（λHX、λXh、λXk）受到何种约束？
• RQ3 U(1)B−L 对称模型是否可在不与 Higgs 玻色子衰变测量冲突的前提下，同时容纳观测到的暗物质丰度和 γ 射线线信号？
• RQ4 引入一个打破 U(1)B−L 对称性的暗标量 ϕ 如何影响暗物质现象学和中微子 sector？
• RQ5 Zee-Babu 标量对 Higgs 玻色子衰变为两个光子有何影响？该影响是否与 LHC 数据一致？

主要发现

• 在 Z2 模型中，γγ 的最大可实现 ⟨σv⟩γγ 约为 0.2 × 10⁻²⁷ cm³/s，约为解释 Fermi-LAT 130 GeV 过量所需值的六分之一。
• 混合耦合 λXh 和 λXk 可充分增强 ⟨σv⟩γγ 以匹配 Fermi-LAT 信号，但受直接探测实验约束，σp < 1 × 10⁻⁹ pb。
• 理论上限对 λHh 和 λHk（≤ 0.7）及真空稳定性约束（≥ −1.6）限制了 B(H → γγ) 的增强，最多为 SM 值的 1.5 倍。
• 在 U(1)B−L 模型中，通过两个区域成功解释了丰度和 γ 射线线信号：mϕ ≈ 2mR（共振）和大 vϕ ≈ 10⁶–10⁷ GeV。
• U(1)B−L 模型因未与 SM Higgs 混合，避免了与 H → γγ 和直接探测的相关性，与当前实验约束一致。
• 在 U(1)B−L 模型中，中微子 sector 保持不变，使得 Zee-Babu 机制可独立生成中微子质量。