[论文解读] Minimalistic scotogenic scalar dark matter

Ivania M. Ávila, Valentina De Romeri+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 9

一句话总结

该论文提出了一种最小化的scotogenic标量暗物质模型，其中复数单态和三重态标量场通过$Χ_2$对称性生成中微子质量，而最轻的粒子作为弱相互作用大质量粒子（WIMP）暗物质。该模型成功调和了中微子振荡数据、希格斯玻色子测量结果、暗物质丰度以及直接探测约束，为轻量级暗物质和可观测的LHC单胶球信号提供了可行的参数空间。

ABSTRACT

We reexamine the minimal Singlet + Triplet Scotogenic Model, where dark matter is the mediator of neutrino mass generation. We assume it to be a scalar WIMP, whose stability follows from the same $\mathbb{Z} _{2}$ symmetry that leads to the radiative origin of neutrino masses. The scheme is the minimal one that allows for solar and atmospheric mass scales to be generated. We perform a full numerical analysis of the signatures expected at dark matter as well as collider experiments. We identify parameter regions where dark matter predictions agree with theoretical and experimental constraints, such as neutrino oscillations, Higgs data, dark matter relic abundance and direct detection searches. We also present forecasts for near future direct and indirect detection experiments. These will further probe the parameter space. Finally, we explore collider signatures associated with the mono-jet channel at the LHC, highlighting the existence of a viable light dark matter mass range.

研究动机与目标

• 提出标准模型的一个最小扩展，通过单一$Χ_2$对称性同时解释中微子质量和暗物质。
• 识别与中微子振荡数据、希格斯玻色子测量结果以及暗物质约束一致的可行参数区域。
• 预测未来直接和间接暗物质探测实验的探测灵敏度。
• 探索对撞机信号，特别是LHC中单胶球通道的信号，以探测该模型的参数空间。

提出的方法

• 在标准模型中引入标量单态和三重态扩展，并引入$Χ_2$对称性，以保证暗物质稳定并实现通过辐射机制生成中微子质量。
• 通过全面的数值分析扫描模型的参数空间，以满足理论和实验约束。
• 应用中微子振荡数据、希格斯信号强度、暗物质丰度（通过热退耦机制计算）以及直接探测限制（如XENON1T）的约束。
• 利用未来实验的预期探测能力，预测直接和间接探测实验的灵敏度。
• 模拟LHC单胶球信号，以识别可观测的信号区域，特别是针对轻量级暗物质。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有标量单态和三重态的最小化scotogenic模型中，哪些参数区域与当前的中微子振荡和希格斯数据一致？
• RQ2 该模型在多大程度上满足观测到的暗物质丰度和直接探测约束？
• RQ3 哪些参数区域可被未来的直接和间接暗物质探测实验探测到？
• RQ4 该模型的对撞机信号特征是什么，特别是在LHC的单胶球通道中？
• RQ5 是否存在一个与所有当前和未来约束一致的可行轻量级暗物质质量范围？

主要发现

• 该模型识别出一个可行的参数区域，其中标量单态作为弱相互作用大质量粒子（WIMP）暗物质候选者，与观测到的暗物质丰度一致。
• 该模型通过$Χ_2$对称的标量场实现辐射机制，成功再现了太阳中微子和大气中微子振荡的中微子质量尺度。
• 直接探测约束，特别是来自XENON1T的限制，显著缩小了参数空间，尤其对较重的暗物质质量更为严格。
• 预测显示，未来的直接和间接探测实验将能够探测到剩余可行参数空间的大部分区域。
• LHC单胶球通道提供了一个有希望的发现通道，即使在轻量级暗物质质量下也能预期可观测的信号。
• 识别出一个可行的轻量级暗物质质量范围，该范围与所有当前约束一致，并且可被未来的对撞机和直接探测实验探测到。