[论文解读] Catalysis of Electroweak Baryogenesis via Fermionic Higgs Portal Dark Matter

Wei Chao, Michael J. Ramsey-Musolf|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

该论文提出了一套统一框架，其中CP破坏的费米子型Higgs粒子暗物质门户同时解释了观测到的暗物质遗迹密度，并通过电弱重子生成机制产生重子不对称性。通过采用带有矢量型费米子的两Higgs双峰模型，表明Higgs门户相互作用中的非零CP破坏相位可同时实现成功的重子生成与暗物质稳定性，同时避开直接探测和电偶极矩（EDM）约束，未来EDM实验将为此提供关键检验。

ABSTRACT

We investigate catalysis of electroweak baryogenesis by fermionic Higgs portal dark matter using a two Higgs doublet model augmented by vector-like fermions. The lightest neutral fermion mass eigenstate provides a viable dark matter candidate in the presence of a stabilizing symmetry Z_2 or gauged U(1)_D symmetry. Allowing for a non-vanishing CP-violating phase in the lowest-dimension Higgs portal dark matter interactions allows generation of the observed dark matter relic density while evading direct detection bounds. The same phase provides a source for electroweak baryogenesis. We show that it is possible to obtain the observed abundances of visible and dark matter while satisfying present bounds from electric dipole moment (EDM) searches and direct detection experiments. Improving the present electron (neutron) EDM sensitivity by one (two) orders of magnitude would provide a conclusive test of this scenario.

研究动机与目标

• 探索CP破坏的Higgs门户相互作用在费米子型暗物质模型中是否能同时解释观测到的暗物质遗迹密度与宇宙的重子不对称性。
• 研究该情景是否能满足来自直接暗物质探测与电偶极矩（EDM）搜索的约束条件。
• 识别在标准模型最小扩展下，同时成功生成暗物质与重子不对称性的可行参数空间。
• 证明负责暗物质遗迹密度的同一CP破坏相位，亦可通过弱Sphaleron跃迁催化电弱重子生成。

提出的方法

• 该模型采用Type-I两Higgs双峰模型，引入与SM Higgs双峰混合的矢量型费米子，使Yukawa相互作用中出现CP破坏相位。
• 最轻的中性费米子本征态在U(1)D或Z2对称性保护下稳定，可作为可行的暗物质候选者。
• Higgs门户相互作用中的CP破坏相位（与β成正比）使暗物质湮灭能产生观测到的遗迹密度，同时通过弱Sphaleron过程生成净重子不对称性。
• 利用Higgs场分布与弱Sphaleron速率的半解析解计算重子不对称性，左手法则荷密度使Sphaleron跃迁产生偏置。
• 通过基准耦合常数与质量参数的数值模拟，包括kQ3=2kT=2kB=6, kH=4, kψ=2kχ=2, 和gN=0.35。
• 在y–δ平面扫描参数空间，以识别同时满足观测到的暗物质密度与重子不对称性的区域，同时施加LUX与EDM限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 CP破坏的费米子型Higgs门户相互作用能否同时产生观测到的暗物质遗迹密度与宇宙的重子不对称性？
• RQ2 同一CP破坏相位是否在使暗物质遗迹密度生成成为可能的同时，也提供足够的CP破坏以实现电弱重子生成？
• RQ3 该情景能否与当前来自直接暗物质探测（LUX）与电偶极矩（EDM）搜索的实验限制保持一致？
• RQ4 矢量型费米子之间的质量分裂与CP破坏相位如何影响重子生成与暗物质稳定性的可行性？
• RQ5 需要多大程度的EDM灵敏度提升才能对这一模型做出决定性检验？

主要发现

• 该模型识别出一个可行的参数空间，使得观测到的暗物质遗迹密度与重子不对称性（YB ≈ 8.59×10−11）可同时实现。
• Higgs门户相互作用中的CP破坏相位（β）使电弱重子生成成为可能，同时由于湮灭过程中的速度抑制，避开直接探测约束。
• LUX直接探测约束对CP破坏相位设定了下限，但仍有参数空间区域保持可行，使暗物质与重子生成均与观测一致。
• 若电子EDM灵敏度提高一个数量级，或中子EDM灵敏度提高两个数量级，将能对模型做出决定性检验。
• 矢量型费米子之间更小的质量分裂可通过共振增强重子生成源项，但可能因混合增强而损害暗物质稳定性。