[论文解读] Freeze-in production of sterile neutrino dark matter in a gauged U$(1)^\prime$ model with inverse seesaw

Arindam Das, Sreetama Goswami+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 124被引用 4

一句话总结

该论文提出一个带有逆跷跷板机制的U(1)'模型，通过湮灭产生机制同时解释轻子中微子质量与惰性中微子暗物质（DM）。DM通过SM粒子经Z'介导的散射产生，可解释观测到的宇宙残留丰度；若其质量超过~1 MeV且Z'较重，则可通过DM衰变为正电子解释银河系511 keV伽马射线线。

ABSTRACT

We consider a general, anomaly free U$(1)^\prime$ extension of the Standard Model (SM) where the neutrino mass is generated at the tree level via the inverse seesaw mechanism. The model contains three right handed neutrinos, three additional singlet fermions, one extra complex scalar and a neutral gauge boson $(Z^\prime)$. Instead of resorting to a specific $U(1)$ extension, we consider a class of models by taking the $U(1)^\prime$ charges of the scalars to be free parameters. Here, we assign one pair of the pseudo-Dirac degenerate sterile neutrinos as Dark Matter (DM) candidates which are produced by the freeze-in mechanism. Considering different mass regimes of the DM, $Z^\prime$ and reheating temperature, we obtain constraints on the $U(1)^\prime$ charges giving the correct relic abundance. We have also obtained constraints on $Z^\prime$ mass and coupling from consideration of relic density as well as high energy collider experiments like ATLAS in case of heavy $Z^\prime$ or in intensity and lifetime frontier experiments like DUNE, FASERs, and ILC beam dump which are looking for light $Z^\prime$. Additionally, in this model, the decay of pseudo-Dirac DM into active neutrinos can explain the 511 keV line observed by the INTEGRAL satellite.

研究动机与目标

• 在单一框架内解释观测到的暗物质残留丰度与极小的轻子中微子质量。
• 解决WIMP型DM候选者面临的严格直接探测限制。
• 探索非WIMP型DM候选者——特别是通过湮灭产生机制生成的惰性中微子。
• 检验惰性中微子DM是否能同时解释来自银河系中心的511 keV伽马射线线。
• 利用DM残留密度、真空稳定性、微扰性以及LHC对Z'玻色子的搜寻结果约束模型参数。

提出的方法

• 引入SM的U(1)'扩展，包含三个右手中微子与三个规范单重态马约拉纳费米子，以实现轻子中微子质量的逆跷跷板机制。
• 将一对简并的惰性中微子指定为暗物质候选者，通过SM粒子经Z'玻色子介导的散射过程实现湮灭产生。
• 利用Z'介导的散射振幅计算湮灭产生率，DM产额取决于Z'质量、U(1)'规范耦合常数及惰性-活性中微子混合角。
• 使用费米黄金法则推导惰性中微子DM衰变为νe⁺e⁻的宽度，包含来自虚W与Z玻色子的贡献。
• 评估DM衰变产生的511 keV伽马射线通量，并推导出当m_N = 1 MeV时，所需混合角|Vαi|² ≈ 5.44×10⁻²⁴。
• 应用来自LHC对重Z'的搜寻、真空稳定性、微扰性以及对DM与中微子衰变的天体物理约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有逆跷跷板机制的U(1)'模型能否同时生成轻子中微子质量与可行的惰性中微子暗物质候选者？
• RQ2 湮灭产生机制能否在不需热平衡的条件下产生观测到的暗物质残留密度？
• RQ3 惰性中微子DM衰变为e⁺e⁻能否解释INTEGRAL观测到的511 keV伽马射线线？
• RQ4 来自LHC对重Z'的搜寻、真空稳定性与微扰性约束如何塑造可行的参数空间？
• RQ5 未来实验如SHiP与FASER在轻Z'区域中，能在多大程度上探测到由DM残留密度约束所允许的参数空间？

主要发现

• 当m_N ≳1 MeV时，若Z'质量大于DM且满足|Vαi|² ≈ 5.44×10⁻²⁴（当m_N = 1 MeV时），则惰性中微子DM可解释来自银河系中心的511 keV伽马射线线。
• 当m_N ≈ 1 MeV时，所需混合角与现有实验约束（如X射线巡天与中微子振荡实验）一致，适用于1 MeV ≤ m_N ≤ 70 MeV的范围。
• 模型参数——U(1)'规范耦合常数g′、Z'质量M_Z′以及U(1)'荷x_h与x_ϕ——受DM残留密度、真空稳定性与微扰性要求的约束。
• 在Z'为TeV量级的情况下，LHC对Z'共振态的搜寻显著限制了参数空间，尤其在g′较大时。
• 对于轻Z'（10⁻⁴–100 GeV），与DM残留密度一致的参数空间部分可被未来寿命前沿实验SHiP与FASER探测，尤其在U(1)_{B-L}模型中。
• 湮灭产生机制导致DM产额随耦合强度增加，与冻结出机制相反，即使在极弱耦合下也能实现可行的DM情景。