[论文解读] Low-scale leptogenesis and dark matter

Andrea Caputo, Pilar Hernández+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文将ARS机制（1–100 GeV的Majorana单重态费米子通过CP破坏振荡产生重子不对称性）进一步拓展，引入三种暗物质候选者模型：弱耦合的B-L规范玻色子、隐形QCD轴子和单重态Majoron。研究证明，这些扩展可同时实现成功的轻子生成与暗物质存在，为两个主要宇宙学难题提供统一解决方案。

ABSTRACT

An extension of the Standard Model with Majorana singlet fermions in the 1-100 GeV range can give rise to a baryon asymmetry at freeze-in via the CP-violating oscillations of these neutrinos: this is the well known ARS mechanism. In this paper we consider possible extensions of the minimal ARS scenario that can account not only for successful leptogenesis but also explain other open problems such as dark matter. We find that an extension in the form of a weakly coupled B-L gauge boson, an invisible QCD axion model, and the singlet majoron model can simultaneously account for dark matter and the baryon asymmetry.

研究动机与目标

• 解决在低能标轻子生成背景下Majorana单重态费米子框架下未解决的暗物质问题。
• 探索最小ARS机制的扩展，以同时生成重子不对称性并提供暗物质候选者。
• 识别在1–100 GeV质量范围内统一轻子生成与暗物质的可行粒子物理模型。
• 评估B-L规范玻色子、隐形轴子和单重态Majoron模型作为重子生成与暗物质双重解决方案的可行性。

提出的方法

• 在1–100 GeV范围内扩展标准模型，引入Majorana单重态费米子，通过CP破坏振荡实现低能标轻子生成。
• 引入U(1)_B-L规范对称性，使单重态费米子与新的规范玻色子耦合，该玻色子可作为暗物质候选者。
• 将隐形QCD轴子引入模型，其中轴子场提供稳定且弱耦合的暗物质组分。
• 通过引入一个复标量单重态，改进单重态Majoron模型，实现B-L对称性的自发性破缺，从而产生一个赝Nambu-Goldstone玻色子，作为暗物质。
• 分析每种扩展中单重态中微子振荡的CP破坏与暗物质候选者稳定性的相互作用。
• 评估每种模型与宇宙学约束的一致性，包括重子不对称性和暗物质遗迹密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 ARS机制在低能标轻子生成中是否可一致地扩展以包含可行的暗物质候选者？
• RQ2 B-L规范玻色子、隐形轴子和单重态Majoron模型是否各自提供稳定且弱耦合的暗物质粒子，且与观测到的遗迹密度相容？
• RQ3 在1–100 GeV质量范围内，是否可能在同一个理论框架内实现成功的重子不对称性生成与暗物质稳定性？
• RQ4 单重态中微子区的CP破坏相位如何与每种模型中的暗物质产生机制相互作用？
• RQ5 这些扩展模型的实验现象学特征与宇宙学约束是什么？

主要发现

• B-L规范玻色子扩展在1–100 GeV质量范围内提供了可行的暗物质候选者，与观测到的遗迹密度和直接探测约束一致。
• 隐形QCD轴子模型通过轴子场实现暗物质，其质量标度与Peccei-Quinn对称性自发破缺尺度及宇宙学约束相容。
• 单重态Majoron模型产生一个赝Nambu-Goldstone玻色子，作为稳定暗物质粒子，其质量与耦合由B-L对称性破缺尺度决定。
• 在所有三种模型中，均通过Majorana单重态费米子的CP破坏振荡成功重现了观测到的重子不对称性，与原始ARS机制一致。
• 这些模型与中微子振荡数据一致，且未引入显著的味改变中性流过程。
• 每种扩展中，中微子区的CP破坏与暗物质稳定性之间的相互作用自然地被容纳，实现了统一的理论框架。