[论文解读] Multi-component Dark Matters in Two Loop Neutrino Model

Yuji Kajiyama, Hiroshi Okada+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 44被引用 15

一句话总结

本文提出一个具有TeV尺度U(1)_{B-L}规范对称性的两圈中微子质量模型，轻子中微子质量在两圈水平生成，而右手中微子则通过一圈机制获得质量。该模型预测了两种费米子型暗物质组分——10 GeV 和 100–1000 GeV——与暗物质丰度、轻子味破坏约束以及XENON100直接探测极限一致，未来XENON实验有望验证该模型。

ABSTRACT

We construct a loop induced seesaw model in a TeV scale theory with gauged U(1)_{B-L} symmetry. Light neutrino masses are generated at two-loop level and right-handed neutrinos also obtain their masses by one-loop effect. Multi-component Dark Matters (DMs) are included in our model due to the remnant discrete symmetry after the B-L symmetry breaking and the Z_2 parity which is originally imposed to the model. We investigate the multi-component DM properties, in which we have two fermionic DMs with different mass scales, O(10) GeV and O(100-1000) GeV. The former mass corresponds to the lightest right-handed neutrino mass induced by the loop effect, although the latter one to the SM gauge singlet fermion. We show each of the DM annihilation processes and compare to the the observation of relic abundance, together with the constraints of Lepton Flavor Violation (LFV) and active neutrino masses. Moreover we show that our model has some parameter region allowed by the direct detection result reported by XENON100, and it is possible to verify the model by the future XENON experiment.

研究动机与目标

• 构建一个具有规范U(1)_{B-L}对称性的TeV尺度模型，实现轻子中微子质量在两圈水平生成。
• 在相同框架内通过一圈机制解释右手中微子质量的起源。
• 通过B-L对称性破缺后剩余的离散对称性与Z_2宇称，引入多组分暗物质。
• 确保与观测到的暗物质丰度、轻子味破坏约束以及活性中微子质量的一致性。
• 评估与XENON100直接探测结果的兼容性，并预测在即将开展的XENON实验中可被检验。

提出的方法

• 通过希格斯粒子和规范玻色子交换实现轻子中微子质量生成的两圈 seesaw 机制。
• 引入右手中微子，其质量通过包含B-L规范玻色子和希格斯场的一圈图获得。
• 引入Z_2宇称以稳定两种费米子型暗物质候选者——一种来自最轻的右手中微子，另一种来自标准模型规范单态费米子。
• 利用U(1)_{B-L}对称性破缺后剩余的离散对称性，保护两种暗物质组分的稳定性。
• 计算暗物质湮灭截面，并与普朗克数据给出的观测暗物质丰度进行比较。
• 应用来自轻子味破坏过程（如μ→eγ和τ→μγ）的约束，并匹配观测到的活性中微子质量尺度。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有TeV尺度U(1)_{B-L}对称性的两圈seesaw机制能否在实现观测到的轻子中微子质量的同时，允许右手中微子通过一圈机制获得质量？
• RQ2 该模型中由剩余对称性产生的两种费米子型暗物质组分的性质与质量谱为何？
• RQ3 该模型中暗物质湮灭过程与观测到的暗物质丰度相比如何？
• RQ4 该模型中哪些参数区域满足当前来自轻子味破坏和中微子质量测量的约束？
• RQ5 该模型是否与XENON100直接探测结果兼容？是否可在未来XENON实验中被检验？

主要发现

• 该模型在两圈水平实现了轻子中微子质量，与约0.1 eV的观测尺度一致。
• 右手中微子通过包含B-L规范玻色子和希格斯场的一圈图获得质量，最轻者质量约为O(10) GeV。
• 两种稳定的费米子型暗物质候选者出现：一种质量为O(10) GeV（来自最轻的右手中微子），另一种为O(100–1000) GeV（来自规范单态费米子）。
• 该模型允许参数区域，使得预测的暗物质丰度与宇宙学测量得到的观测值一致。
• 来自轻子味破坏过程（如μ→eγ和τ→μγ）的约束在模型参数空间内得到满足。
• 该模型与XENON100直接探测结果兼容，未来XENON实验有望探测并可能验证该模型。