[论文解读] Closing in on minimal dark matter and radiative neutrino masses

D. Aristizábal Sierra, C. Simões+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文研究了一类单圈辐射中微子质量模型，其中暗物质（DM）候选者为超荷为零的费米子五重态或标量七重态——这些是极小暗物质情景的关键组成部分。研究发现，为生成单圈中微子质量而引入的额外场不可避免地导致Z₂破坏耦合，除非施加极小的耦合常数（O(10⁻²¹)–O(10⁻¹¹)）或人为对称性，否则将引发快速的暗物质衰变。研究结论表明，此类模型在未进行微调或引入额外假设的情况下，通常与宇宙学中的暗物质稳定性不相容。

ABSTRACT

We study one-loop radiative neutrino mass models in which one of the beyond-the-standard model fields is either a hypercharge-zero fermion quintet (minimal dark matter) or a hypercharge-zero scalar septet. By systematically classifying all possible one-loop such models we identify various processes that render the neutral component of these representations (dark matter) cosmologically unstable. Thus, our findings show that these scenarios are in general not reconcilable with dark matter stability unless tiny couplings or additional ad hoc symmetries are assumed, in contrast to minimal dark matter models where stability is entirely due to the standard model gauge symmetry. For some variants based on higher-order loops we find that $α_2$ reaches a Landau pole at rather low scales, a couple orders of magnitude from the characteristic scale of the model itself. Thus, we argue that some of these variations although consistent with dark matter stability and phenomenological constraints are hard to reconcile with perturbativity criteria.

研究动机与目标

• 评估将极小暗物质表示（特别是超荷为零的费米子五重态和标量七重态）纳入其中的单圈辐射中微子质量模型在宇宙学上的可行性。
• 系统分类所有可能的、以这些表示作为圈内媒介子的韦内伯算符单圈实现方式。
• 识别并评估可能导致快速暗物质衰变的Z₂破坏衰变算符，从而挑战极小DM情景的稳定性。
• 通过分析SU(2)×U(1)Y规范耦合的跑动行为，研究此类模型的微扰性，特别是低能标下Landau极点的出现位置。
• 确定这些模型是否能在保持暗物质稳定性和微扰量子场论约束的前提下保持一致。

提出的方法

• 在可重整化和规范不变性的约束下，系统分类所有涉及超荷为零的费米子五重态或标量七重态作为圈内媒介子的单圈中微子质量模型。
• 通过有效场论分析识别Z₂破坏耦合，重点分析暗物质组分的树图级和圈图诱导衰变算符。
• 使用两圈跑动方程（RGEs）研究SU(2)×U(1)Y规范耦合α₂的跑动行为，特别关注Landau极点的位置。
• 在各种参数选择下估算暗物质衰变寿命，包括中微子质量模型参数的极端值。
• 比较单圈、两圈和三圈中微子质量模型的结果，评估圈阶数对暗物质稳定性和微扰性的影响。
• 对特定三圈模型进行数值计算，得出Landau极点标度Λ_Landau-pole为(10–10²)×m_X，其中m_X为重场的质量标度。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用超荷为零的费米子五重态或标量七重态作为媒介子的单圈辐射中微子质量模型，能否在宇宙学上保持暗物质稳定性？
• RQ2 在这些模型中，导致快速暗物质衰变的主要Z₂破坏衰变算符是什么？
• RQ3 为维持暗物质稳定性而所需的耦合强度与自然或微扰期望相比如何？
• RQ4 在三圈中微子质量模型中，SU(2)×U(1)Y规范耦合在何种能量标度下达到Landau极点？这对微扰性有何含义？
• RQ5 两圈中微子质量模型是否因拓扑上的‘超荷自由’而可避免单圈模型中出现的暗物质不稳定性问题？

主要发现

• 为实现单圈中微子质量而引入的额外场不可避免地导致Z₂破坏耦合，从而引发快速暗物质衰变，除非施加极端微调，否则极小DM情景在宇宙学上不稳定。
• 对于费米子五重态，在合理参数选择下，即使将中微子质量模型参数推至极限，暗物质衰变寿命仍短得不可接受。
• 标量七重态表示在极小DM情景中已被排除为可行的暗物质候选者，因为其存在一个圈诱导的维数为6的算符，即使在普朗克尺度截断下也会引发快速衰变。
• 在三圈中微子质量模型中，SU(2)×U(1)Y规范耦合α₂在标度Λ_Landau-pole ≈ (10–10²)×m_X处达到Landau极点，表明在仅比模型特征质量标度高几倍到百倍的能标下，微扰性即告失效。
• 两圈模型可能因拓扑上的‘超荷自由’而避免暗物质不稳定性，但此类模型在全能量范围内维持微扰性仍面临挑战。
• 结果表明，若不引入极小耦合常数（O(10⁻²¹)–O(10⁻¹¹)）或人为对称性，使用极小DM表示的单圈模型通常与暗物质稳定性和微扰性不相容，从而削弱了最初使用高阶表示的动机。