[论文解读] Dark Matters in Gauged B-3L_i Model

Hiroshi Okada|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种规范化的 $B-3L_i$ 模型，包含两种暗物质（DM）候选：一种费米子型右手中微子 $N^c$ 和一种玻色子型惰性希格斯 $\theta^0$。通过结合辐射见标机制与在TeV尺度的 $B-3L_i$ 对称性自发性自发性破缺，该模型实现了从亚GeV到10 GeV的暗物质质量。主要结果表明，费米子型DM的自旋无关直接探测截面为 $10^{-52}$ 至 $10^{-50}$ cm²，而玻色子型DM的截面为 $10^{-41}$ 至 $10^{-40}$ cm²，与CRESST-II、CoGeNT和DAMA实验结果一致。

ABSTRACT

We study a dark matter model with local B-3L_i symmetry that is known as anomaly free and requires a single right-handed neutrino. Here we have two dark matter candidates; that is, fermionic or bosonic one. We focus on analyzing each of the case within the light mass region, which is required by the perturbative theory of the Higgs quartic coupling.

研究动机与目标

• 探索在规范化的 $B-3L_i$ 模型中通过辐射见标机制实现的暗物质候选。
• 独立于轻子质量矩阵结构，分析费米子型（右手中微子 $N^c$）与玻色子型（惰性希格斯 $ heta^0$）暗物质候选。
• 确保暗物质的稳定性，并与LHC不可见衰变约束及直接探测极限保持一致。
• 识别暗物质湮灭截面与WMAP原初丰度一致的可行参数区域。
• 评估预测的直接探测截面与CRESST-II、CoGeNT和DAMA现有实验数据的兼容性。

提出的方法

• 引入在TeV尺度自发破缺的 $B-3L_i$ 规范对称性，将 $N^c$ 和 $ heta^0$ 作为暗物质候选。
• 构建包含维度5和维度6算符的拉格朗日量，通过辐射见标机制生成中微子质量，且与暗物质 sector 无关。
• 施加 $\bbZ_2$ 对称性以稳定 $N^c$ 和 $ heta^0$，确保暗物质的长期存在。
• 利用包含 $ heta$、$ ho$ 和 $ ho'$ 场的希格斯势，生成物理希格斯粒子 $h$、$H$ 和 $ heta^\text{neutral}$，并引入混合角 $ heta$。
• 通过 $s$-通道 $h/H$ 交换计算玻色子型DM的湮灭截面，通过 $t/u$-通道 $N^c$ 交换计算费米子型DM的湮灭截面。
• 通过希格斯门户耦合评估自旋无关直接探测截面，使用核子形式因子与有效耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 右手中微子 $N^c$ 是否可在 $B-3L_i$ 规范化辐射见标模型中作为可行的费米子型暗物质候选？
• RQ2 中性惰性希格斯 $ heta^0$ 是否可在不影响轻子质量矩阵的前提下作为稳定的玻色子型暗物质候选？
• RQ3 两种暗物质候选的直接探测截面是多少？是否与当前实验限制一致？
• RQ4 暗物质湮灭截面与WMAP原初丰度约束相比如何？
• RQ5 LHC不可见希格斯衰变搜索对模型参数施加了哪些约束？

主要发现

• 费米子型DM候选 $N^c$ 的质量范围为 ${\cal O}(1)$ GeV 至 ${\cal O}(10)$ GeV，与微扰性及LEP限制一致。
• 费米子型DM的自旋无关直接探测截面为 $1.0 \times 10^{-52}$ 至 $1.0 \times 10^{-50}$ cm²，适用于 $1$ GeV $\lesssim m_\chi \lesssim 10$ GeV。
• 玻色子型DM候选 $\theta^0$ 的质量低于 $m_{N^c} \lesssim 10$ GeV，以防止通过 $y_\nu L_e \eta N^c$ 耦合发生快速衰变。
• 玻色子型DM的自旋无关直接探测截面为 $5.0 \times 10^{-41}$ 至 $5.0 \times 10^{-40}$ cm²，适用于 $1$ GeV $\lesssim m_\chi \lesssim 10$ GeV。
• 该模型满足LHC不可见希格斯衰变约束，${\rm Br}_{\rm inv} < 10^{-3}$，且 $h \to 2\chi$ 的宽度与现有限制一致。
• 预测的玻色子型DM直接探测截面与CRESST-II、CoGeNT和DAMA实验报告的信号一致。