[论文解读] Neutron Dark Matter Decays

A. N. Ivanov, Roman Höllwieser+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2018

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 63被引用 4

一句话总结

本文通过引入两种暗物质衰变模式：$n \to \chi + \nu_e + \bar{\nu}_e$ 和 $n \to \chi + e^- + e^+$，提出了解决中子寿命之谜的新解释，其中 $\chi$ 为一种暗物质狄拉克费米子。与以往模型不同，该研究表明，$n \to \chi + e^- + e^+$ 衰变模式虽不可探测，但仍可通过费兹干涉效应解决瓶实验与束流实验结果之间的差异。该模型基于一个紫外完备的 $SU_L(2)\times U_R(1)\times U_R'(1)\times U_L''(1)$ 规范场论，满足大型强子对撞机（LHC）与天体物理学约束。

ABSTRACT

We analyse the discrepancy between the neutron lifetimes measured in the bottle and beam experiments. Following Fornal and Grinstein (Phys. Rev. Lett. 120, 191801 (2018)) we propose an explanation of such a puzzle by the dark matter channels of the neutron decay. However, unlike Fornal and Grinstein in addition to the dark matter decay channel n -> χ+ e^- + e^+, where χis a dark matter Dirac fermion and (e^-e^+) is an electron--positron pair, we assume the existence of the dark matter channel n -> chi + ν_e + \barν_e, where ν_e \barν_e is the electron neutrino-antineutrino pair. This allows to describe the discrepancy between the measurements of the neutron lifetime even in case of an unobservability of the dark matter decay channel n -> χ+ e^- + e^+, which may be below the reaction threshold. The existence of the coupling n -> χ+ e^- + e^+ can be observed experimentally by measuring electron-neutron scattering e^- + n -> χ+ e^- at very low electron energies, induced with the strength as of the decay n -> χ+ ν_e + \barν_e$. We propose a gauge invariant quantum field theory model with SU_L(2) imes U_R(1) imes U_R'(1) imes U''_L(1) symmetry for the UV completion of the effective (nχ\ell \bar{\ell}) interaction, where \ell(\bar{\ell}) is electron (positron) or neutrino(antineutrino).

研究动机与目标

• 解决瓶实验与束流实验中中子寿命测量结果之间持续存在的1%差异。
• 通过将 $n \to \chi + \nu_e + \bar{\nu}_e$ 衰变模式作为关键贡献者，扩展福尔纳尔与格林斯坦的暗物质衰变假说。
• 构建一个规范不变的量子场论模型，对有效 $(n\chi\ell\bar{\ell})$ 相互作用进行紫外完备化，对应用 $SU_L(2)\times U_R(1)\times U_R'(1)\times U_L''(1)$ 对称性。
• 证明该模型不与大型强子对撞机（LHC）约束、中子星冷却过程或暗物质产生限制相冲突。
• 表明 $n \to \chi + e^- + e^+$ 衰变模式虽不可探测，但仍可通过费兹干涉效应影响中子寿命。

提出的方法

• 引入中子衰变为 $\chi + \ell + \bar{\ell}$ 的有效低能相互作用拉格朗日量，涵盖电子-正电子与中微子-反中微子末态。
• 构建一个基于 $SU_L(2)\times U_R(1)\times U_R'(1)\times U_L''(1)$ 规范对称性的紫外完备量子场论模型，以实现该有效相互作用。
• 推导低能下由 $n \to \chi + \nu_e + \bar{\nu}_e$ 衰变诱导的 $e^- + n \to \chi + e^-$ 振幅，以探测耦合强度。
• 利用夸克凝聚 $\langle \bar{d}d \rangle = -(0.240\,\text{GeV})^3$ 估算 $q\bar{q} \to \chi\bar{\chi}$ 的抑制尺度 $\Lambda_{\rm DM} \geq 790\,\text{GeV}$。
• 利用 $t$-通道过程 $u_j\bar{u}^j \to \chi\bar{\chi}$ 估算 $|\xi_\chi| \sim 1/\Lambda_\chi^4$，其中 $\Lambda_\chi \sim 2.4\,\text{GeV}$，与ATLAS实验约束一致。
• 通过类似URCA的过程分析中子星冷却：$n+n \to \chi+\chi$，$n+n \to \chi+\chi+\nu_e+\bar{\nu}_e$，以及 $\chi+\chi \to n+n$。

实验结果

研究问题

• RQ1 若 $n \to \chi + e^- + e^+$ 衰变模式低于阈值，仅靠 $n \to \chi + \nu_e + \bar{\nu}_e$ 衰变模式是否足以解释中子寿命差异？
• RQ2 如何使 $n \to \chi + e^- + e^+$ 衰变模式与实验的非观测结果相容，同时仍能影响中子寿命？
• RQ3 如何对有效 $(n\chi\ell\bar{\ell})$ 相互作用进行紫外完备化，以保持规范不变性并避免异常？
• RQ4 所提出的暗物质衰变模式是否与大型强子对撞机（LHC）、中子星冷却或暗物质产生限制相冲突？
• RQ5 该模型能否支持中子星中类似URCA的过程，从而增强冷却速率？

主要发现

• 该模型无需要求 $n \to \chi + e^- + e^+$ 衰变模式可观测，仅靠 $n \to \chi + \nu_e + \bar{\nu}_e$ 衰变模式即可解释1%的中子寿命差异。
• 中子 $\beta^-$ 衰变中的费兹干涉项被预测为 $b \sim -10^{-2}$，表明存在显著的超出标准模型的贡献。
• 基于 $SU_L(2)\times U_R(1)\times U_R'(1)\times U_L''(1)$ 规范对称性的紫外完备模型实现了有效相互作用，并避免了阿德勒-贝尔-杰基夫异常。
• $q\bar{q} \to \chi\bar{\chi}$ 的抑制尺度估计为 $\Lambda_{\rm DM} \geq 790\,\text{GeV}$，与ATLAS对暗物质产生的约束一致。
• 该模型允许中子星中出现类似URCA的过程：$n+n \to \chi+\chi$，$n+n \to \chi+\chi+\nu_e+\bar{\nu}_e$，以及 $\chi+\chi \to n+n$，这些过程可增强冷却速率。
• 耦合强度估计为 $|\xi_\chi| \sim 1/\Lambda_\chi^4$，其中 $\Lambda_\chi \sim 2.4\,\text{GeV}$，与低能电子-中子散射信号一致。