[论文解读] Candidates for dark matter in the ${SU}(3)_C {SU}(3)_L {U}(1)_N$ models

H. N. Long, N. Q. Lan+2 more|ArXiv.org|Nov 21, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

该论文在SU(3)C×SU(3)L×U(1)N（3-3-1）模型中识别出标量和费米子型暗物质候选者，其中最轻的希格斯玻色子——具体为一个CP偶的标量和一个CP奇的赝标量——由于其在SM规范群下的单重态性质，作为自相互作用暗物质（SIDM）存在。该模型自然地稳定了这些态，无需额外的对称性，且Spergel-Steinhardt约束给出标量候选者的质量范围为4.7–23 MeV，与511 keV的INTEGRAL线一致。

ABSTRACT

It has recently been pointed out that the 511 keV emission line detected by INTEGRAL/SPI from the bulge of our galaxy could be explained by annihilations of light dark matter particles into $e^+ e^-$. We present the possibility that dark matter could be made of scalar candidates, namely, of the Higgs bosons in the models based on ${SU}(3)_C\otimes {SU}(3)_L \otimes {U}(1)_N$ (3-3-1) gauge group. These particles are singlet of the ${SU}(2)_L \otimes {U}(1)_Y$ group, so they do not interact with the ordinary particles, exept the Higgs boson in the standard model. The Spergel-Steinhardt condition for self-interacting dark matter gives a bound on the mass of the candidates to be a few MeVs. Besides the scalar candidates, which exist in both non-SUSY and SUSY 3-3-1 models with right-handed neutrinos, the spin $\fr 1 2$ candidate exists in a variant 3-3-1 version with exotic neutral lepton. In contrast to the singlet models, where an extra symmetry must be imposed to account the stability of the dark matter, here the decay of the candidates is automatically forbidden in all orders of perturbative expansion. This is because of the following feature: these scalars are singlets, i.e., in bottom of the Higgs triplet. Therefore, the standard model fermions and the standard gauge bosons cannot couple with them.

研究动机与目标

• 在3-3-1模型中识别满足自相互作用暗物质（SIDM）标准的可行暗物质候选者。
• 通过轻暗物质湮灭为e⁺e⁻解释银河系银心处的511 keV伽马射线线。
• 证明暗物质稳定性源于规范量子数，避免引入人为的全局对称性。
• 在包含右手中微子或奇异中性轻子的3-3-1模型变体中，探讨标量和费米子型暗物质候选者。

提出的方法

• 构建一个具有SU(3)C×SU(3)L×U(1)N规范对称性的3-3-1模型，包含变换于SU(3)L群下的希格斯三重态。
• 识别在SM的SU(2)L×U(1)Y下为单重态的标量和赝标量希格斯态，确保与标准模型粒子的最小耦合。
• 利用Spergel-Steinhardt条件约束最轻希格斯态的质量，以满足自相互作用暗物质要求。
• 通过包含三线性和四线性耦合的希格斯势计算标量和赝标量质量谱，调节参数以获得轻暗物质候选者。
• 应用最轻中性希格斯粒子因单重态性质而稳定，禁止其在所有微扰阶中衰变的条件。
• 分析模型在异常取消、渐近自由以及约4 TeV处自然出现规范对称性方面的自洽性。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系银心处的511 keV伽马射线线是否能通过3-3-1模型中轻暗物质湮灭为e⁺e⁻来解释？
• RQ2 在包含右手中微子的3-3-1模型中，标量希格斯玻色子是否无需额外对称性即可作为自相互作用暗物质候选者？
• RQ3 满足该模型中SIDM的Spergel-Steinhardt约束的最轻希格斯态的质量范围是多少？
• RQ4 在3-3-1模型的变体中引入奇异中性轻子，如何影响费米子型暗物质候选者的存在与性质？
• RQ5 能否将暗物质候选者的自然稳定性归因于其规范量子数，而非人为施加的全局对称性？

主要发现

• 在包含右手中微子的3-3-1模型中，最轻的中性标量希格斯玻色子质量范围为4.7–23 MeV，满足Spergel-Steinhardt对自相互作用暗物质的条件。
• 最轻的赝标量希格斯态近乎无质量（M₄ ≈ 5 GeV，M₅ = M₆ = 0），表明自发对称性破缺产生了两个戈戈斯玻色子。
• 标量暗物质候选者因在SM的SU(2)L×U(1)Y群下为单重态而自然稳定，无法与标准模型规范玻色子和费米子耦合。
• 该模型预测存在一个质量约为5 GeV的轻赝标量希格斯玻色子，若其通过圈图过程湮灭为e⁺e⁻，可能对511 keV线有贡献。
• 在包含奇异中性轻子的3-3-1模型变体中存在一个自旋为1/2的暗物质候选者，为标量候选者提供了一种替代方案。
• 由于在sin²θW = 1/4处出现Landau极点，该模型在约4 TeV处实现自然规范对称性，与微扰统一一致。