[论文解读] Seesaw Mechanism Confronting PAMELA in S_4 Flavor Symmetric Extra U(1) Model

Yasuhiro Daikoku, Hiroshi Okada+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用 6

一句话总结

本文提出，PAMELA宇宙射线正电子过剩源于一种 $S_4$-对称 $E_6$-启发的额外 $U(1)$ 模型中轻子最轻的标量场（flavon）的衰变，其中该标量场是次主导的暗物质组分。通过再热过程中的非热产生，将再热温度与 seesaw 标度联系起来，得到右手中微子质量为 $\mathcal{O}(10^{12}\ \text{GeV})$，与宇宙学约束和中微子质量生成一致。

ABSTRACT

We study cosmic-ray anomaly observed by PAMELA based on E_6 inspired extra U(1) model with S_4 flavor symmetry. In our model, the lightest flavon has very long lifetime of O(10^18) second which is longer than the age of the universe, but not long enough to explain the PAMELA result O(10^26) sec. Such a situation could be avoidable by considering that the flavon is not the dominant component of dark matters. However non-thermalizing the flavon is needed to obtain proper relic density. This relates reheating temperature of the universe with seesaw mass scale. If we assume this flavon is a particle decaying into positron (or electron), the seesaw mass scale is constrained by reheating temperature. Thus we find an interesting result that the allowed region is around O(10^12) GeV, which is consistent with our original result.

研究动机与目标

• 通过一种味对称的 $E_6$-启发模型中的暗物质衰变来解释 PAMELA 宇宙射线正电子过剩。
• 通过非热标量场产生，将早期宇宙的再热温度与 seesaw 质量标度联系起来。
• 利用 PAMELA 数据和遗迹密度考虑，约束标量场的真空期望值。
• 通过 $S_4$ 味对称性确保质子衰变抑制和 $\mu$-项生成的一致性。
• 预测标量场衰变产生能量为 $E_\nu = m_\Phi/2$ 的单色中微子通量。

提出的方法

• 采用 $E_6$-启发的 $\text{SM} \times U(1)_X \times U(1)_Z$ 规范群，并引入 $S_4$ 味对称性，以抑制质子衰变并生成 $\mu$-项。
• 使用非可重整化算符将标量场与 SM 粒子耦合，确保其具有长但非普遍寿命。
• 将标量场建模为非热产生的暗物质组分，其遗迹密度由再热期间的玻尔兹曼方程决定。
• 通过标量场的衰变宽度和 $U(1)_Z$ 规范耦合，将再热温度 $T_{\text{RH}}$ 与 seesaw 标度联系起来。
• 求解 $\mathcal{LF}$ 数密度的玻尔兹曼方程，推导出遗迹密度参数 $\Omega_{\text{LF}}$ 作为 $T_{\text{RH}}$ 和 $V$ 的函数。
• 利用 PAMELA 数据（$\Gamma^{-1} \sim \mathcal{O}(10^{26})$ 秒）和弥漫伽马射线限制，约束模型参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 PAMELA 正电子过剩能否通过 $S_4$-对称额外 $U(1)$ 模型中轻子最轻标量场的衰变来解释？
• RQ2 在非热产生假设下，为使标量场寿命与 PAMELA 数据一致，所需的 seesaw 标度是多少？
• RQ3 早期宇宙的再热温度如何约束该模型中右手中微子质量标度？
• RQ4 标量场能否作为次主导的暗物质组分，同时满足遗迹密度和衰变率约束？
• RQ5 标量场衰变对反质子和中微子通量有何影响，且与宇宙射线观测是否一致？

主要发现

• 允许的 seesaw 质量标度被限制在 $\mathcal{O}(10^{12}\ \text{GeV})$，与该模型的原始预测一致。
• 当 $V = 10^{12}\ \text{GeV}$ 时，预测再热温度范围为 $(0.7 - 5.8) \times 10^5\ \text{GeV}$。
• 标量场的真空期望值被约束在 $V \sim 10^{12}\ \text{GeV}$，与质子和奇异夸克衰变的实证约束相符。
• 该模型预测在 $E_\nu = m_\Phi/2$ 处产生单色弥漫中微子通量，是未来探测的显著特征。
• 由于其寿命较短，标量场不能是主导暗物质组分；相反，它必须是次主导的，以避免反质子过量。
• 该模型通过将希格斯双态分配给 $S_4$ 表示，禁止了与夸克的味改变耦合，从而避免了反质子过量。