[论文解读] Singlet-Doublet Fermion Origin of Dark Matter, Neutrino Mass and W-Mass Anomaly

Debasish Borah, Satyabrata Mahapatra+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2022

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

一句话总结

本文提出了一种两代singlet-doublet Majorana费米子模型，可同时解释CDF W玻色子质量异常、辐射中微子质量生成以及可行的暗物质现象学。较重的费米子世代通过圈图修正W玻色子质量，而较轻的世代则作为暗物质，额外的Z2奇异数标量允许实现一阶微扰中微子质量生成，所有结果均与宇宙残留密度和直接探测约束一致。

ABSTRACT

Motivated by the recently reported anomaly in W boson mass by the CDF collaboration with $7\sigma$ statistical significance, we consider a singlet-doublet (SD) Majorana fermion dark matter (DM) model where the required correction to W boson mass arises from radiative corrections induced by SD fermions. While a single generation of SD fermions, odd under an unbroken $Z_2$ symmetry, can not explain the W boson mass anomaly while being consistent with DM phenomenology, two generations of SD fermions can do so with the heavier generation playing the dominant role in W-mass correction and lighter generation playing the role in DM phenomenology. Additionally, such multiple generations of SD fermions can also generate light neutrino masses radiatively if a $Z_2$-odd singlet scalar is included.

研究动机与目标

• 使用标准模型的BFS扩展来解释7σ的CDF W玻色子质量异常。
• 通过一阶机制同时解释非零轻子中微子质量。
• 实现与残留密度和直接探测约束一致的可行暗物质候选者。
• 探索包含额外Z2奇异数标量的两代singlet-doublet Majorana费米子模型的可行性。
• 通过统一框架调和W玻色子质量异常与暗物质现象学。

提出的方法

• 引入一种具有未破缺Z2对称性的两代singlet-doublet Majorana费米子模型。
• 引入Z2奇异数单重态标量，通过暗物质 sector 粒子实现一阶微扰中微子质量生成。
• 利用较重费米子世代的辐射修正来解释W玻色子质量异常。
• 使用micrOMEGAs进行数值残留密度计算，以约束暗物质参数空间。
• 应用来自XENON1T直接探测和LEP的带电费米子质量约束。
• 对每一代的3×3质量矩阵进行对角化，以获得物理Majorana态及其质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 两代singlet-doublet Majorana费米子模型能否在与暗物质现象学一致的前提下解释CDF W玻色子质量异常？
• RQ2 通过引入Z2奇异数标量，该模型能否在一阶微扰水平上生成非零轻子中微子质量？
• RQ3 为何单一代不足以同时解释W质量异常与暗物质约束？
• RQ4 在不同质量区域，共湮灭与Higgs介导湮灭的相对贡献如何影响残留密度？
• RQ5 在模型参数空间中，W质量修正、中微子质量生成与暗物质约束之间存在何种相互作用？

主要发现

• 无论暗物质是Dirac还是Majorana费米子，单一代singlet-doublet费米子均无法同时解释W玻色子质量异常并满足暗物质约束。
• 两代模型允许较重费米子主导W质量修正，而较轻费米子仍可作为可行的Majorana暗物质候选者。
• 引入Z2奇异数单重态标量可实现一阶微扰中微子质量生成，其费曼图涉及暗物质 sector 粒子在圈内作用。
• 与正确残留密度和XENON1T直接探测约束一致的参数空间显著受限，尤其在低质量区域。
• 在大质量差（∆M ≥ 50 GeV）区域，残留密度主要由Higgs介导湮灭主导；而在小质量差区域，共湮灭占主导。
• 该模型成功在最小、可重整化的框架内，统一调和了CDF W玻色子质量异常（80433.5 ± 9.4 MeV）、暗物质与中微子质量生成。