[论文解读] Dirac dark matter in a radiative neutrino model

Hiroshi Okada, Yutaro Shoji|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种具有狄拉克暗物质（DM）候选者的极小辐射中微子质量模型，通过在 $Z_3$ 对称性下引入两个狄拉克中微子和两个惰性希格斯双重态实现。该模型同时解释了中微子质量、暗物质丰度、轻子味违反过程以及直接与间接暗物质探测的约束，其参数空间广阔，覆盖了 0.2–10 TeV 的暗物质质量范围，并可通过 $s$-波湮灭机制解释宇宙射线正电子过剩现象。

ABSTRACT

We propose a simple radiative neutrino mass scenario with a Dirac dark matter candidate, which is minimally realized by a Z3 symmetry. We introduce two Dirac neutrinos and two inert doublets. We demonstrate that the model has a large allowed region that satisfies the constraints from neutrino oscillation data, lepton flavor violations, direct/indirect detection of dark matter and dark matter relic density. We also propose an efficient parameterization of the neutrino Yukawa couplings, which reproduces a desired active neutrino mass matrix.

研究动机与目标

• 构建一个极小的单圈辐射中微子质量模型，同时容纳狄拉克暗物质（DM）候选者并满足所有当前实验约束。
• 解决在单圈辐射 seesaw 机制中实现稳定且可行的狄拉克 DM 候选者的挑战。
• 开发一种高效的中微子 Yukawa 耦合参数化方法，以重现观测到的中微子质量矩阵。
• 识别满足中微子振荡数据、轻子味违反、直接与间接暗物质探测以及正确丰度密度约束的可行参数空间。

提出的方法

• 引入两个狄拉克中微子 ($N_{1,2}$) 和两个惰性希格斯双重态 ($H_1, H_2$)，通过 $Z_3$ 对称性相互作用在单圈层次生成中微子质量。
• 施加一个 $Z_3$ 对称性（$\omega = e^{2\pi i/3}$）以确保最轻的 $N_1$ 稳定，作为狄拉克 DM 候选者。
• 采用一种新颖的中微子 Yukawa 耦合参数化方法，高效重现观测到的中微子质量矩阵与混合角。
• 利用单圈自能图与传播子函数 $W_1$ 和 $W_2$，计算热平均的 DM 湮灭截面，最终末态为 $\nu\bar{\nu}$ 和 $\ell\bar{\ell}$。
• 对参数空间进行数值扫描，以检验其与中微子振荡数据、LFV 约束（如 $\mu \to e\gamma$）、直接探测（XENON1T）、间接探测以及丰度密度（$\Omega_{\rm DM}h^2 \approx 0.12$）的一致性。
• 考虑增强机制（如 Breit-Wigner 或 Sommerfeld 效应），通过单重态标量与 DM 的耦合，解释宇宙射线正电子过剩现象，其机制为 $s$-波主导的 $\chi\bar{\chi} \to \ell\bar{\ell}$ 湮灭。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否构建一个极小的单圈辐射中微子质量模型，包含狄拉克 DM 候选者，并满足来自中微子物理与暗物质现象学的所有当前约束？
• RQ2 如何高效参数化中微子 Yukawa 耦合，以重现观测到的中微子质量矩阵与混合角？
• RQ3 该模型满足中微子振荡数据、轻子味违反、直接与间接暗物质探测以及正确丰度密度约束的可行参数空间是什么？
• RQ4 该模型能否通过 $s$-波主导的 DM 湮灭进入带电轻子末态，解释观测到的宇宙射线正电子过剩？
• RQ5 DM 的狄拉克性质在实现 $s$-波湮灭并增强间接探测截面方面起到何种作用？

主要发现

• 该模型展现出广阔的允许参数空间，覆盖了 0.2–10 TeV 的完整暗物质质量范围，满足所有来自中微子振荡数据、轻子味违反、直接与间接探测以及正确丰度密度的约束。
• 由于 DM 的狄拉克性质，热平均的 $\ell\bar{\ell}$ 末态湮灭截面为 $s$-波主导，从而在低速度下实现增强的截面。
• 若引入增强机制（如 Breit-Wigner），该模型可通过单重态标量与 DM 的耦合，解释 AMS-02、DAMPE 与 CALET 报告的宇宙射线正电子过剩现象。
• 在广泛的暗物质质量范围内，DM 的丰度密度成功重现了 $\Lambda$CDM 的值（$\Omega_{\rm DM}h^2 \approx 0.12$）。
• 该模型对中微子 Yukawa 耦合的参数化方法，使得能够系统且高效地重构具有真实混合角与质量劈裂的中微子质量矩阵。
• 在允许区域内，直接探测（XENON1T: $\sigma_{\rm SI} \lesssim 4.1 \times 10^{-47}~{\rm cm^2}$）与轻子味违反（如 $\mu \to e\gamma$）的约束均得到满足。