[论文解读] Twin Cogenesis

Wan-Zhe Feng, Jiang-Hao Yu|arXiv (Cornell University)|May 13, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 44被引用 4

一句话总结

本文在孪生希格斯框架中提出了一种孪生共生机制，可同时解释暗物质、物质与暗物质密度的宇宙巧合、小层次问题、重子生成以及微小的中微子质量。通过引入三个重Majorana中微子——一个在标准模型 sector，两个在孪生 sector——该模型在两个 sector 中生成轻子不对称性，其中最轻的孪生强子作为约 5.5 GeV 的暗物质候选者，自然解释了观测到的暗物质丰度。

ABSTRACT

We investigate a cogenesis scenario within the twin Higgs setup which can naturally explain the nature of dark matter, the cosmic coincidence puzzle, little hierarchy problem, leptogenesis and the tiny neutrino masses. Three heavy Majorana neutrinos are introduced to the standard model sector and the twin sector respectively, which explain the tiny neutrino masses and generate the lepton asymmetry and the twin lepton asymmetry at the same time. The twin cogenesis scenario is general and applies to any viable twin Higgs model without hard $\mathbb{Z}_2$ breaking and evading the $\Delta N_{ m eff}$ constraint. We demonstrate twin cogenesis in two models: fraternal twin Higgs model, and neutrino-philic twin two Higgs doublet model, a newly proposed model to lift the twin neutrino masses with spontaneous $\mathbb{Z}_2$ breaking. The MeV scale dark photon ensures the energy in the twin sector as well as the symmetric component of twin sector particles can be depleted. The lightest twin baryons are the dark matter candidates with masses approximately 5.5~GeV, which explain naturally the amount of dark matter and visible matter in the Universe are of the same order.

研究动机与目标

• 为解决宇宙巧合问题，即暗物质与可见物质密度处于同一数量级。
• 在孪生希格斯机制的背景下，解决小层次问题。
• 解释微小中微子质量与可见 sector 和孪生 sector 中轻子不对称性的起源。
• 在与孪生希格斯模型兼容的单一框架内，统一解释暗物质、重子生成和中微子质量生成。

提出的方法

• 引入三个重Majorana中微子：一个在标准模型 sector，两个在孪生 sector，以在两个 sector 中生成轻子不对称性。
• 利用孪生共生机制，通过重Majorana中微子在各自 sector 中的衰变，同时产生可见 sector 和孪生 sector 中的轻子不对称性。
• 引入一个 MeV 量级的暗光子，以高效耗散孪生 sector 中的能量和对称组分。
• 采用兄弟孪生希格斯模型和新提出的中微子亲和型孪生双 Higgs 希格斯模型，实现在自发 Z₂ 破解下的场景。
• 通过避免模型中显式的 Z₂ 破解，确保与 ΔN_eff 约束的兼容性。
• 将最轻的孪生强子识别为质量约为 5.5 GeV 的稳定暗物质候选者。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能通过单一机制在孪生希格斯框架中同时解释暗物质、重子生成和微小中微子质量？
• RQ2 在孪生 sector 模型中，如何自然解释暗物质与可见物质密度的观测巧合？
• RQ3 重Majorana中微子在生成可见 sector 和孪生 sector 中的轻子不对称性方面起什么作用？
• RQ4 如何在不违反 ΔN_eff 约束的前提下，实现在可行孪生希格斯模型中的孪生共生机制？
• RQ5 约 5.5 GeV 的孪生强子作为暗物质候选者，其现象学意义是什么？

主要发现

• 最轻的孪生强子，质量约为 5.5 GeV，作为稳定的暗物质候选者，自然解释了观测到的暗物质丰度。
• 孪生共生机制通过重Majorana中微子在其各自 sector 中的衰变，成功生成了可见 sector 和孪生 sector 中的轻子不对称性。
• 该模型将物质与暗物质密度的宇宙巧合解释为对称孪生 sector 与共享重子生成机制的自然结果。
• MeV 量级的暗光子高效耗散了孪生 sector 中的能量和对称组分，确保了孪生强子的稳定性和正确的遗迹丰度。
• 该框架可在兄弟孪生希格斯模型和新提出的中微子亲和型孪生双 Higgs 希格斯模型中实现，且存在自发 Z₂ 破解。
• 该场景与 ΔN_eff 约束保持一致，因其避免了显式 Z₂ 破解，同时仍能实现必要的物理机制。