[论文解读] Dark Matter, LFV and Neutrino Magnetic Moment in the Radiative Seesaw Model with Triplet Fermion

Wei Chao|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 6

一句话总结

本文提出了一种带有三重态费米子 Σ 和 Z₂ 对称性的辐射 seesaw 模型，其中最轻的中性 Σ 分量作为 2.594 TeV 的暗物质候选者，其稳定性由该对称性保证。该模型通过单圈图生成极小的中微子质量，预测了轻子 flavor 违反（LFV）过程和中微子跃迁磁矩，并表明 LFV 过程受到当前和未来实验的约束，而磁矩仍低于当前实验的上限。

ABSTRACT

In this paper we work in the framework of a radiative seesaw model with triplet fermion $Σ$. Due to the $Z_2$ discrete flavor symmetry, the lightest neutral component of $Σ$ is stable and thus can be a dark matter candidate. Its mass can be solely determined by the dark matter relic abundance, which is bout 2.594 TeV. The model also predict a dark matter-nucleus scattering cross section that would be accessible with future dark matter direct detection searches. We further investigate constraints on the parameter space of the model from the lepton-flavor-violating processes and neutrino transition magnetic moments, induced by the Yukawa interaction of the $Σ$ with the left-handed lepton doublets.

研究动机与目标

• 探索一种带有费米子三重态 Σ 和 Z₂ 对称性的辐射 seesaw 模型，以同时解决中微子质量、暗物质和轻子 flavor 违反问题。
• 通过规范相互作用介导的湮灭过程，确定暗物质的遗迹丰度及其直接探测截面。
• 利用轻子 flavor 违反（LFV）过程和中微子跃迁磁矩，约束该模型的参数空间。
• 评估该模型在当前和未来对 LFV 及磁矩实验限制下的可行性。

提出的方法

• 引入一种带有两个 Y=0 的费米子三重态 Σ、一个惰性 Higgs 双态 Φ 和一个 Z₂ 对称性的辐射 seesaw 模型，其中仅 Σ 和 Φ 在该对称性下为奇数。
• 利用 Z₂ 对称性使 Σ 的最轻中性分量稳定，作为冷暗物质候选者。
• 通过热冻结过程计算暗物质遗迹密度，假设规范相互作用主导湮灭过程，得出其质量为 2.594 TeV。
• 通过 Σ⁰ 和 Φ⁰ 的交换推导单圈中微子质量生成机制，质量矩阵以 Yukawa 耦合和圈函数表示。
• 利用 Σ 与左手轻子双态的 Yukawa 耦合，评估轻子 flavor 违反过程（μ→eγ 和 μ-e 转换）的幅度。
• 利用相同的 Yukawa 相互作用，在单圈层次上计算中微子跃迁磁矩，形式因子由圈积分导出。

实验结果

研究问题

• RQ1 该模型中暗物质候选者 Σ⁰ 的质量是多少？其是否可仅通过观测到的遗迹密度确定？
• RQ2 轻子 flavor 违反过程（μ→eγ 和 μ-e 转换）如何约束该模型中的 Yukawa 耦合？
• RQ3 该模型预测的中微子跃迁磁矩大小是多少？与当前实验上限相比如何？
• RQ4 该模型能否在一个统一框架下解释暗物质和中微子质量？其是否可通过未来的 LFV 或直接探测实验进行检验？

主要发现

• 暗物质候选者 Σ⁰ 的质量约为 2.594 TeV，仅通过拟合通过规范相互作用介导的湮灭过程所观测到的暗物质遗迹密度确定。
• 该模型预测的暗物质-核子散射截面在未来的直接探测实验中可能具有可观测性。
• 轻子 flavor 违反过程如 μ→eγ 和 Au、Ti、S 中的 μ-e 转换受到当前实验限的约束，其中 μ→eγ 提供最强约束。
• 中微子跃迁磁矩估计为约 10⁻²³ μB，远低于当前实验在 90% 置信水平下的上限 0.32×10⁻¹⁰ μB。
• ν₃ → ν₂γ 的衰变速率估计约为 ~10⁻⁶⁹ GeV，表明其对宇宙红外背景的贡献可忽略不计。
• LFV 过程，尤其是 μ→eγ，对模型的参数空间施加了严格约束，表明未来 LFV 实验将能探测剩余的可行区域。