[论文解读] Leptogenesis from Dark Matter Annihilations in Scotogenic Model

Debasish Borah, Arnab Dasgupta+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文提出对scotogenic模型的最小扩展，通过暗物质湮灭实现重子生成，将重子生成尺度降低至5 TeV。该机制同时解释了重子与暗物质丰度的巧合性，且在直接探测和轻子味违反实验中具有可检验性。

ABSTRACT

We address the possibility of realising successful leptogenesis from dark matter annihilations in the scotogenic model of neutrino masses to explain the same order of magnitude abundance of dark matter and baryons in the present Universe. After showing that the minimal model in this category can not satisfy all these requirements, we study a minimal extension of this model and find that the scale of leptogenesis can be as low as 5 TeV, lower than the one in vanilla leptogenesis scenario in scotogenic model along with the additional advantage of explaining the baryon-dark matter coincidence. Due to such low scale, the model remains predictive at dark matter direct detection and rare decay experiments looking for charged lepton flavour violating processes.

研究动机与目标

• 在scotogenic模型框架内，解决宇宙中重子与暗物质丰度巧合的问题。
• 探究暗物质湮灭是否可作为重子生成的来源，而非传统的热浴过程。
• 识别满足重子生成与暗物质遗迹密度约束的最小scotogenic模型的最小扩展。
• 确定与观测数据和实验约束相容的最低重子生成尺度。
• 评估该模型在暗物质直接探测和带电轻子味违反过程中的可预测性。

提出的方法

• 通过引入一组最小的新场，扩展最小scotogenic模型，以实现暗物质湮灭至轻子数破坏末态。
• 分析描述重子不对称性和暗物质密度在冻结过程中的演化之玻尔兹曼方程。
• 计算通过暗物质湮灭产生的中间态的非热衰变所生成的轻子不对称性。
• 利用观测到的重子对暗物质密度比（ΩB/ΩDM ≈ 0.17）施加约束，以确定模型参数。
• 利用直接探测实验和稀有带电轻子味违反衰变的限制评估模型的可行性。
• 执行参数空间扫描，以识别成功实现重子生成与正确遗迹密度共存的区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在scotogenic模型中，暗物质湮灭能否生成足够大的轻子不对称性以解释观测到的重子不对称性？
• RQ2 在此情景下可实现的最低重子生成尺度是多少？与经典重子生成机制相比如何？
• RQ3 该机制能否自然解释观测到的重子与暗物质遗迹密度的巧合性？
• RQ4 该模型如何约束暗物质直接探测和带电轻子味违反过程？
• RQ5 该模型在当前及未来的暗物质和轻子味违反探测中是否具有可预测性？

主要发现

• 最小scotogenic模型无法同时满足重子生成与正确暗物质遗迹密度，因约束冲突。
• 该模型的最小扩展通过暗物质湮灭成功实现重子生成，尺度低至5 TeV。
• 这种低尺度重子生成自然解释了观测到的约0.17的重子对暗物质丰度比。
• 由于新物理尺度较低，该模型在直接探测实验中仍具可预测性。
• 带电轻子味违反过程（如μ → eγ）处于当前及未来稀有衰变实验的探测范围内。
• 该模型提供了一个统一框架，涵盖重子生成、暗物质稳定性与味违反，且所有过程均处于低能标。