[论文解读] Less-dimensions and matter parity as the origin of Dark Matter

M. Kadastik, Kristjan Kannike+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2009

Cosmology and Gravitation Theories被引用 5

一句话总结

该论文提出，在非超对称的 $SO(10)$ 大统一理论中，物质宇称 $P_M = (-1)^{3(B-L)}$ 自然地解释了暗物质的存在。它将 $P_M$-奇的复标量单重态和惰性双峰确定为仅有的可行低能暗物质候选者，预测了它们的热余晖丰度，并表明它们可通过大型强子对撞机（LHC）的希格斯玻色子衰变被探测到，或通过庞加莱抑制的衰变解释帕梅拉（PAMELA）异常。

ABSTRACT

We extend the concept of matter parity $P_M=(-1)^{3(B-L)}$ to non-supersymmetric theories and argue that $P_M$ is the natural explanation to the existence of Dark Matter of the Universe. We show that the non-supersymmetric Dark Matter must be contained in scalar 16 representation(s) of $SO(10),$ thus the unique low energy Dark Matter candidates are $P_M$-odd complex scalar singlet(s) $S$ and inert scalar doublet(s) $H_2.$ We have calculated the thermal relic Dark Matter abundance of the model and shown that its minimal form may be testable at LHC via the SM Higgs boson decays $H_1 o DM DM.$ The PAMELA anomaly can be explained with the decays $DM o u l W$ induced via seesaw-like operator which is additionally suppressed by Planck scale. Because the SM fermions are odd under matter parity too, the DM sector is just our scalar relative.

研究动机与目标

• 将物质宇称 $P_M = (-1)^{3(B-L)}$ 的概念从超对称理论扩展至非超对称的大统一模型。
• 在 $SO(10}$ 统一框架下，识别出与 $P_M$ 对称性及低能现象学一致的最小暗物质候选者集合。
• 计算所提出的暗物质候选者的热余晖丰度，并评估其在大型强子对撞机（LHC）上的可探测性。
• 通过暗物质粒子到标准模型粒子的 $P_M$-破坏衰变，解释帕梅拉（PAMELA）宇宙射线异常。
• 通过 $P_M$ 对称性在暗物质 sector 与标准模型之间建立直接联系，将暗物质视为标准模型费米子的标量伙伴。

提出的方法

• 将物质宇称 $P_M = (-1)^{3(B-L)}$ 扩展至非超对称的 $SO(10)$ 大统一理论，为所有场分配 $P_M$ 量子数。
• 识别出在 $SO(10)$ 的 16 维表示中，唯一可行的低能暗物质候选者为 $P_M$-奇的复标量单重态 $S$ 和惰性标量双峰 $H_2$。
• 使用标准玻尔兹曼方程计算暗物质候选者的热余晖密度，假设其通过 $s$-通道湮灭为标准模型粒子。
• 通过标准模型希格斯玻色子衰变 $H_1 \to DM\,DM$ 评估LHC的探测能力，其中 $H_1$ 为最轻的希格斯粒子态。
• 通过引入一个受庞加莱尺度抑制的 seesaw 类型算符，分析帕梅拉异常，诱导出 $DM \to u\bar{u}W$ 衰变。
• 证明标准模型费米子也对 $P_M$ 为奇，从而在暗物质与标准模型之间建立对称关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非超对称的 $SO(10}$ 大统一理论中，物质宇称 $P_M = (-1)^{3(B-L)}$ 是否可作为暗物质稳定化的自然对称性？
• RQ2 在 $SO(10)$ 框架下，由 $P_M$ 对称性产生的最小低能暗物质候选者是什么？
• RQ3 这些暗物质候选者的预测热余晖丰度是多少？是否与宇宙学观测一致？
• RQ4 帕梅拉（PAMELA）宇宙射线正电子过剩是否可通过 $P_M$-破坏衰变（经由庞加莱尺度抑制的算符）解释？
• RQ5 该模型中的暗物质 sector 是否通过 $P_M$ 对称性与标准模型直接关联，使得暗物质成为标准模型费米子的标量伙伴？

主要发现

• 在 $P_M$-对称的非超对称 $SO(10)$ 模型中，唯一可行的低能暗物质候选者为 $P_M$-奇的复标量单重态 $S$ 和惰性标量双峰 $H_2$。
• 暗物质候选者的热余晖丰度可计算，且与观测到的暗物质密度一致，表明该模型在现象学上是可行的。
• 该模型预测标准模型希格斯玻色子可衰变为暗物质对（$H_1 \to DM\,DM$），从而为LHC提供直接的搜索通道。
• 帕梅拉异常可通过 $P_M$-破坏衰变 $DM \to u\bar{u}W$ 解释，该衰变由一个受庞加莱尺度抑制的 seesaw 类型算符诱导。
• 标准模型费米子也对 $P_M$ 为奇，意味着在相同对称性下，暗物质 sector 是标准模型费米子 sector 的标量对应物。
• 该模型的最小形式可通过LHC的希格斯玻色子隐形衰变搜索进行检验，未来可能被排除或证实。