[论文解读] Radiative seesaw models linking to dark matter candidates inspired by the DAMPE excess

Takaaki Nomura, Hiroshi Okada|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 9

一句话总结

该论文提出了两种辐射 seesaw 模型，将暗物质（DM）候选者与DAMPE观测到的1.4 TeV电子/正电子过量联系起来。第一个模型包含一个狄拉克费米子DM，通过s通道Z′规范玻色子衰变为e⁺e⁻或μ⁺μ⁻末态；第二个模型则使用标量DM候选者，通过Z′共振衰变为四体末态；两种模型均在DM质量约为1.5–3 TeV时解释DAMPE过量，并预测了可行的中微子质量纹理。

ABSTRACT

We propose two possibilities to explain an excess of electron/positron flux around 1.4 TeV recently reported by Dark Matter Explore (DAMPE) in the framework of radiative seesaw models where one of them provides a fermionic dark matter candidate, and the other one provides a bosonic dark matter candidate. We also show unique features of both models regarding neutrino mass structure.

研究动机与目标

• 通过具有暗物质候选者的辐射 seesaw 模型解释DAMPE数据中1.4 TeV电子/正电子过量。
• 通过单圈机制将暗物质与中微子质量生成联系起来。
• 构建能同时解释μ子反常磁矩和观测到的DM丰度的模型。
• 通过离散对称性和额外规范对称性确保与味破坏过程和规范异常的相容性。

提出的方法

• 引入一个受规的U(1)_{e+μ−τ}对称性以消除规范异常，并通过Z₄离散对称性稳定DM候选者。
• 通过狄拉克DM费米子在圈图中传播实现单圈中微子质量生成，导致中微子质量矩阵中出现预测性的两零纹理B₂。
• 通过一个单态标量φ_R和一个Z′规范玻色子构建标量DM候选者，DM通过s通道Z′交换衰变为e⁺e⁻、μ⁺μ⁻或νₑν̄ₑ/ν_μν̄_μ末态。
• 对m_φR和g′进行参数扫描，以识别同时满足正确DM丰度和DAMPE过量的区域。
• 应用LFV过程（如μ→eγ）和LEP对Z′耦合的限制，以抑制味改变的中性流。
• 推导热平均湮灭截面，并与DAMPE数据和观测到的丰度进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有狄拉克费米子DM候选者的辐射 seesaw 模型能否解释DAMPE中1.4 TeV电子/正电子过量？
• RQ2 该模型是否预测了与振荡数据和宇宙学约束一致的可行中微子质量纹理？
• RQ3 在单圈 seesaw 模型中，标量DM候选者能否同时解释DAMPE过量和μ子反常磁矩？
• RQ4 DM质量与Z′耦合的可行参数区域是什么，能够重现观测到的丰度和单色过量？
• RQ5 味破坏过程和规范异常如何约束模型结构和耦合？

主要发现

• 具有U(1)_{e+μ−τ}规范对称性的狄拉克费米子DM模型，通过s通道Z′ → e⁺e⁻或μ⁺μ⁻湮灭，在约1.5 TeV的DM质量下成功解释了DAMPE过量。
• 该模型在中微子质量矩阵中预测了两零纹理B₂，偏好反序中微子质量谱，并在一阶近似下预测m_ν₃ ≈ √(Δm²_atm / (1 − cot⁴θ₂₃))。
• 具有U(1)_{e−μ}对称性的标量DM模型通过Z′共振的四体末态解释了DAMPE过量，解位于M_X ≈ 3 TeV且m_φR ≈ M_X处。
• 该标量DM模型还为μ子反常磁矩提供了可行的解释，其贡献主要来自Z′交换图。
• 两种模型均无需大倍增因子即可实现正确的丰度，其湮灭截面自然匹配子晕情景下的观测值3×10⁻²⁶ cm³/s。
• 由于引入了Z₄对称性和味依赖的规范荷，这些模型满足来自LFV过程（如μ→eγ）的严格约束。