[论文解读] Extension of $ν$MSM model and possible explanations of recent astronomical and collider observations

Krishna Kulkarni|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 9

一句话总结

该论文通过引入一个对右手中微子和一种奇异希格斯标量带电的U(1)'规范对称性，扩展了νMSM模型，统一解释了3.5 keV X射线线、银心过量以及750 GeV二光子过剩现象，同时通过跷跷板机制解决了重子不对称性和中微子质量问题。该模型预测了一个750 GeV的标量粒子，其具有较大的二光子耦合，以及具有特定质量与混合参数约束的惰性中微子。

ABSTRACT

Here I present the extension to $ν$MSM model by adding a $U(1)'$ gauge symmetry under which right-handed fermions including sterile neutrinos and exotic Higgs scalar are charged. This model explains 3.5 keV line observed by XMM-Newton telescope as well as Galactic Center Excess(GCE) detected by Fermi-LAT satellite. The proposed model also accounts for recent diphoton excess of mass around 750 GeV produced in ATLAS and CMS detectors. Cosmological inconsistencies such as baryon asymmetry can also be explained. Verification of presented model is possible with current experimental techniques and limitations. Careful validation and analysis of the model needs to be done in future.

研究动机与目标

• 在单一理论框架内统一解释多个未解的天体物理与对撞机观测现象。
• 利用惰性中微子振荡解决重子不对称之谜等宇宙学不一致问题。
• 通过一个7 keV的惰性中微子衰变（混合角极小）机制解释3.5 keV X射线线。
• 通过一个新标量玻色子与光子具有大耦合来解释750 GeV二光子过剩。
• 在与宇宙学和实验约束一致的前提下，对右手中微子的质量与混合参数施加约束。

提出的方法

• 引入一个U(1)'规范对称性，使右手中微子和一种奇异希格斯标量Φ带电，Φ获得真空期望值后赋予新规范玻色子Eμ质量。
• 构建一个扩展νMSM的拉格朗日量，包含惰性中微子的动能项、与标准模型希格斯的汤川耦合、马约拉纳质量项，以及与Eμ的新相互作用。
• 施加质量约束：mN₁ ≈ 7 keV（用于3.5 keV线），mN₂ ≈ mN₃ ≈ 5–60 GeV（用于重子生成与GCE），mΦ ≈ 750 GeV（用于二光子过剩）。
• 利用跷跷板机制，通过与重的惰性中微子混合生成轻的活性中微子质量。
• 应用兰道-杨定理与有效光子耦合算符（cγγ/v ΦF²）解释二光子信号，其分支比显著。
• 推导出惰性中微子衰变宽度 τDM ≈ 7.2×10²⁹ sec × [10⁻⁸/sin²(2θ)] × [1 keV/mDM]⁵，用于解释3.5 keV线。

实验结果

研究问题

• RQ1 U(1)'扩展的νMSM模型能否同时解释3.5 keV X射线线、银心过量与750 GeV二光子过剩？
• RQ2 为解释暗物质衰变与重子不对称性，惰性中微子需要满足怎样的质量与混合参数？
• RQ3 一个质量约为750 GeV的新标量Φ如何在无强胶子耦合的情况下产生显著的二光子信号？
• RQ4 宇宙学观测、中微子振荡数据与CMB功率谱对模型施加了哪些约束？
• RQ5 该模型能否通过当前对撞机与天体物理数据进行实验验证？

主要发现

• 3.5 keV X射线线由一个7 keV的惰性中微子（N₁）衰变解释，其混合角满足 sin²(2θ) ≈ (2–20)×10⁻¹¹，与当前观测约束一致。
• 银心过量由更重的惰性中微子（N₂, N₃）衰变解释，其质量约为5–60 GeV，且寿命足够短，可产生高能光子。
• 750 GeV二光子过剩由一个质量 mΦ ≈ 750 GeV 的新标量Φ解释，其有效耦合 cγγ ≈ 0.16，导致光子末态分支比显著。
• 该模型预测7 keV惰性中微子的寿命为7.2×10²⁹秒，与观测到的3.5 keV线的流量和衰变速率一致。
• 重子不对称性通过N₂与N₃的单态-费米子振荡产生，其简并质量与微小混合角可提供足够的CP破坏。
• 无中微子双贝塔衰变的有效马约拉纳质量被限制为 mββ ≈ 5×10⁻² eV（正常质量顺序）或 mββ ≈ 5×10⁻² eV（倒序质量顺序），具体取决于中微子质量顺序。