[论文解读] FImP Miracle of Sterile Neutrino Dark Matter by Scale Invariance

Zhaofeng Kang|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 15

一句话总结

本文提出了一种具有惰性中微子和额外单态标量 S 的标准模型尺度不变扩展，其中 Coleman-Weinberg 机制自然地生成了 S 的 TeV 量级真空期望值。相同的 SN₁N₁ 顶点同时通过冻结产生机制解释了 keV 量级惰性中微子暗物质质量及其正确的丰度，形成了一个‘FImP 奇迹’，可能解释了 3.55 keV X 射线谱线，其对应的 N₁ 质量为 7.1 keV。

ABSTRACT

The standard model (SM) with sterile neutrinos provides the simplest idea to understand nonzero neutrino masses. As a bonus, the lightest sterile neutrino $N_1$, even in the absence of a protective symmetry, can be a dark matter (DM) candidate provided that it is as light as the keV scale. We observe that if this idea is realized in the scale invariant SM, which may address the hierarchy problem, extra singlet scalars $S$ with nonzero vacuum expected value (VEV) should be introduced to give Majorana masses for the sterile neutrinos. Such a fact yields an attractive picture: Given $\langle S angle\sim $TeV via the Coleman-Weinberg mechanism, which is strongly favored by Higgs phenomenologies, the correct orders of DM mass (by dynamics instead of hand) and DM relic density (by freeze-in instead of oscillation) are surprisingly addressed by the same vertex $SN_1N_1$. This coincidence is an even stronger version of the WIMP miracle and dubbed as FImP miracle. Interestingly, a 7.1 keV $N_1$ with correct relic density, that can explain the recent 3.55 keV $X-$ray line, lies in the bulk parameter space of our model.

研究动机与目标

• 通过引入尺度不变性来扩展标准模型，以解决层次问题。
• 在不需保护对称性的情况下，实现惰性中微子作为 keV 量级暗物质候选者。
• 通过冻结产生机制自然地生成正确的暗物质丰度。
• 在该模型中，解释观测到的 3.55 keV X 射线谱线为 7.1 keV 惰性中微子的衰变信号。

提出的方法

• 引入一个具有非零真空期望值（VEV）的实单态标量 S，其 VEV 通过 Coleman-Weinberg 机制生成。
• 通过添加 S 和惰性中微子 N₁，实现标准模型的尺度不变性，确保无显式质量项。
• 利用 SN₁N₁ 相互作用顶点动态生成惰性中微子的马约拉纳质量。
• 通过冻结产生机制推导暗物质丰度，其中 N₁ 由 S 的衰变产生。
• 通过设定 ⟨S⟩ ≈ TeV，确保模型与希格斯现象学一致。
• 分析参数空间，识别出 7.1 keV N₁ 既能产生正确丰度，又能解释 3.55 keV X 射线谱线的区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以通过尺度不变的标准模型扩展，在无显式质量项的情况下自然生成 keV 量级的惰性中微子暗物质候选者？
• RQ2 是否同一个 SN₁N₁ 顶点在生成惰性中微子质量的同时，也能通过冻结产生机制生成正确的丰度？
• RQ3 在该模型中，观测到的 3.55 keV X 射线谱线是否与 7.1 keV 惰性中微子的衰变一致？
• RQ4 Coleman-Weinberg 机制是否能够在与希格斯现象学相容的前提下，为单态标量 S 生成 TeV 量级的 VEV？
• RQ5 该模型中同时满足暗物质质量、丰度与 X 射线谱线约束的可行参数空间是什么？

主要发现

• 该模型通过尺度不变性和 Coleman-Weinberg 机制实现了 keV 量级惰性中微子暗物质候选者，无需保护对称性。
• 相同的 SN₁N₁ 顶点动态生成了惰性中微子质量，并通过冻结产生机制生成了正确的丰度。
• 质量为 7.1 keV 的惰性中微子，其正确的丰度位于该模型可行参数空间的主体区域。
• 该模型自然地将 3.55 keV X 射线谱线解释为 7.1 keV 惰性中微子的衰变产物。
• 标量单态 S 通过 Coleman-Weinberg 机制获得了 TeV 量级的真空期望值，与希格斯现象学一致。
• 质量生成与丰度产生通过单一顶点实现，这一巧合被称为‘FImP 奇迹’，是 WIMP 奇迹的更强版本。