[论文解读] From dark matter to neutrinoless double beta decay

Pei-Hong Gu|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

该论文提出一个统一模型，其中作为SU(2)_L三重态一部分的TeV尺度暗物质费米子，通过两个TeV尺度的轻子荷标量，在一阶圈图水平上介导无中微子双贝塔衰变。该模型同时在三圈和五圈水平上生成亚eV量级的中微子质量，预测了可检验的自旋无关暗物质-核子散射截面（约10⁻⁴⁵ cm²），并限制重子生成过程发生在100 GeV以下的温度。

ABSTRACT

Associated with two TeV-scale leptoquark scalars, a dark matter fermion which is the neutral component of an isotriplet can mediate a testable neutrinoless double beta decay at one-loop level. The dark matter fermion with determined mass and spin-independent scattering can be verified by the future dark matter direct detection experiments. We also discuss the implications on neutrino masses and baryon asymmetry.

研究动机与目标

• 提出一种机制，使暗物质费米子直接介导无中微子双贝塔衰变，而非通过 seesaw 机制间接实现。
• 通过高阶圈图（三圈和五圈）生成亚eV量级的中微子质量，避免对重右手中微子的需求。
• 通过Z₂对称性确保暗物质候选者稳定且与遗迹密度相容，质量约为2.4 TeV。
• 由于轻子数破坏过程导致不对称性被消除，将重子生成温度限制在约100 GeV以下。
• 预测一个可测量的自旋无关暗物质-核子散射截面（约10⁻⁴⁵ cm²），供未来直接探测实验检验。

提出的方法

• 引入一个Z₂奇的SU(2)_L三重态费米子（T_L）和两个SU(2)_L双态轻子荷标量（η和ξ），其中η与夸克和T_L耦合，ξ与轻子和底夸克耦合。
• 实施一个Z₂离散对称性，其中仅T_L和η为奇，确保暗物质稳定性和两单位轻子数破坏。
• 利用涉及T⁰暗物质费米子和轻子荷标量η的一圈图，介导无中微子双贝塔衰变，振幅与(f h†)²和M_T⁰/M_η²成正比。
• 通过涉及Yukawa耦合（f, h, λ）的图，在三圈和五圈水平上生成中微子质量，主导贡献与(λ f h†) × M_T⁰ / M_η²成正比。
• 使用规范和Yukawa湮灭截面计算T⁰的遗迹密度，将M_T⁰固定在约2.4 TeV以匹配观测到的暗物质丰度。
• 估算轻子数破坏过程（如0νββ）停止处于热平衡的温度，为重子生成尺度设定下限（约100 GeV）。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个暗物质费米子能否通过TeV尺度的轻子荷标量在一阶圈图水平上直接介导无中微子双贝塔衰变？
• RQ2 同一个暗物质费米子能否通过高阶圈图（三圈和五圈）生成亚eV量级的中微子质量，而无需引入重右手中微子？
• RQ3 预测的暗物质-核子自旋无关散射截面是多少？是否在下一代直接探测实验的探测范围内？
• RQ4 轻子数破坏过程（如0νββ）在何种温度下失效？这如何限制宇宙重子不对称性的生成？
• RQ5 Z₂对称性如何确保暗物质稳定，并控制模型中轻子数破坏过程的层级结构？

主要发现

• 作为SU(2)_L三重态中性分量的暗物质费米子，其预测质量约为2.4 TeV，以重现观测到的遗迹密度。
• 无中微子双贝塔衰变振幅通过Z₂奇轻子荷标量η和暗物质费米子T⁰的交换在一阶圈图水平生成，衰变速率对Yukawa耦合和质量比敏感。
• 中微子质量在三圈和五圈水平生成，主导贡献与(λ f h†) × M_T⁰ / M_η²成正比，当M_η = 3M_T⁰时，最大质量约为0.8 eV。
• 自旋无关暗物质-核子散射截面预测为约10⁻⁴⁵ cm²，可能在下一代直接探测实验中被探测到。
• 该模型预测轻子数破坏过程（包括0νββ）在约100 GeV时停止处于热平衡，将重子生成限制在该温度以下。
• 若不引入额外的中微子质量来源（如seesaw机制），该模型仅在引入额外中微子质量来源时才与中微子振荡数据一致，因为当前圈图诱导的质量矩阵为秩-1。