[论文解读] Models of decaying FIMP Dark Matter: potential links with the Neutrino Sector

Laura Covi, Avirup Ghosh+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 56被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种长期存在的、衰变的FIMP暗物质（DM）框架，无需依赖绝对稳定性，通过受抑制的Yukawa耦合或通过规范性$U(1)_{L_\mu - L_\tau}$对称性的高维算符实现。该框架建立了中微子质量生成与DM衰变动力学之间的直接联系，实现了DM衰变速率的自然抑制，并通过冻结产生机制实现一致的遗迹丰度，同时满足宇宙学和对撞机约束。

ABSTRACT

The absolute stability of a dark matter (DM) particle is not a binding requirement. Here we suggest a few scenarios where the DM particle is liable to decay via extremely feeble interactions. This can happen via inexplicably small Yukawa couplings in the simplest conjectures. After setting down such a model, we go beyond it, thus treading onto scenarios where the spontaneous breakdown of some gauged $U(1)$ symmetry may lead to intermediate scales, and suitably suppressed effective operators which allow the DM particle to decay slowly. The constraints from particle physics as well as cosmology are taken into account in each case. The last and more involved scenario, studied in detail, suggest a link between the model parameters that govern neutrino physics on one side, and the dynamics of a quasi-stable DM particle on the other.

研究动机与目标

• 构建一个无需依赖绝对稳定性或离散对称性的衰变FIMP暗物质的可行模型。
• 自然解释DM衰变耦合的极端微小性，避免微调。
• 建立中微子 sector 与准稳定暗物质候选者动力学之间的直接联系。
• 确保宇宙学一致性、异常自由性，并与当前中微子和希格斯玻色子数据兼容。
• 探索该模型的对撞机和直接探测信号，特别是通过矢量样费米子衰变和电子散射。

提出的方法

• 引入一个自旋为1/2的Majorana费米子作为DM候选者，其为三个SM单态Majorana费米子中最轻的。
• 在$U(1)_{L_\mu - L_\tau}$规范对称性下实现，其中DM和矢量样费米子双重态$F$带电荷，而SM轻子携带$L_\mu - L_\tau$电荷。
• 构建在Planck尺度下受抑制的五维和六维有效算符，这些算符在SM和$U(1)_{L_\mu - L_\tau}$规范群下保持不变。
• 通过标量$\phi$在$\sim 10^8$ GeV处自发破缺$U(1)$对称性，生成SM轻子与暗物质 sector 之间的微小混合项。
• 利用由此产生的受抑制耦合，介导FIMP产生（通过$F \to \psi + \phi$）和DM衰变（通过$\psi \to \ell + \ell' + \ell''$）。
• 从DM寿命、遗迹密度和中微子质量之和计算对威尔逊系数的约束，同时检查异常和对撞机信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不依赖绝对稳定性或离散对称性的情况下实现长寿命的FIMP暗物质候选者？
• RQ2 如何自然解释DM衰变耦合的极端微小性，而无需微调？
• RQ3 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$规范对称性在连接中微子质量生成与FIMP暗物质动力学中扮演什么角色？
• RQ4 该模型能否同时满足宇宙学约束（遗迹密度、中微子质量之和）、对撞机现象学和DM衰变可观测量？
• RQ5 对未来实验（如寻找无中微子双贝塔衰变或DM直接探测中的电子散射）有何启示？

主要发现

• 受$U(1)_{L_\mu - L_\tau}$启发的模型通过非重正化算符自然抑制了DM衰变和FIMP产生，避免了威尔逊系数的微调。
• 有效算符对中微子质量矩阵有贡献，使得中微子质量之和低于Planck约束，同时仍能实现无中微子双贝塔衰变的显著速率。
• 在最低$v_D$尺度下，中微子质量矩阵中的抵消效应将CP相位与耦合相位相关联，将$0\nu\beta\beta$衰变中有效Majorana质量的允许范围限制在相对较大的值。
• 该模型在宇宙学上一致且无异常，通过$L_\mu - L_\tau$带电标量$\phi$的衰变实现可行的FIMP产生机制。
• DM直接探测中通过电子散射以及对电子电偶极矩的贡献预测均低于未来实验的灵敏度，使该模型具有可行性。
• 该模型预测通过矢量样费米子双重态$F$的衰变在对撞机中产生可观测信号，为未来搜索提供了可检验的路径。