[论文解读] Two loop Induced Dirac Neutrino Model and Dark Matters with Global $U(1)'$ Symmetry

Hiroshi Okada|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 21

一句话总结

该论文提出了一种在TeV尺度下具有全局U(1)'对称性的两圈辐射狄拉克中微子模型，自然地引入了三种暗物质候选粒子：一个狄拉克费米子和两个标量玻色子。该模型成功解释了观测到的暗物质遗迹密度以及来自LUX和Planck/WMAP的约束，同时通过规范U(1)'自发对称性破缺产生的戈尔登玻色子，为有效中微子种类数的差异提供了潜在解释。

ABSTRACT

We propose a two loop induced Dirac type neutrino model at TeV scale. Subsequently, three types of dark matter particles; fermion and two bosons, are naturally introduced. Here we discuss to analyze two possibilities; two component dark matter scenario (Dirac fermion and complex boson) and single dark matter one (another real boson), comparing to current experimental data such as Planck/WMAP and LUX. We briefly mention the possibility to explain the discrepancy of the effective number of neutrino species reported by several experiments.

研究动机与目标

• 构建一个通过两圈辐射机制生成狄拉克中微子质量的模型，自然地在TeV尺度下包含暗物质候选粒子。
• 通过全局U(1)'对称性及其自发对称性破缺稳定暗物质，从而产生剩余的Z2对称性。
• 分析双组分（费米子 + 复标量）与单组分（实标量）暗物质情景。
• 评估该模型与当前宇宙学及直接探测数据（包括Planck/WMAP和LUX）的兼容性。
• 探讨通过U(1)'破缺产生的戈尔登玻色子解释观测到的有效中微子种类数差异ΔN_eff ≈ 0.36 ± 0.34的可能性。

提出的方法

• 向标准模型中引入矢量型单态费米子（S_L, S_R）、马约拉纳费米子（N_R）以及新标量（η, χ₁, χ₂, Σ）。
• 赋予全局U(1)'对称性特定的电荷分配，以禁止树图级中微子质量并稳定暗物质。
• 利用新粒子参与的两圈图，通过圈修正生成小的狄拉克中微子质量。
• 在U(1)'对称性破缺后，通过剩余的Z2对称性确保暗物质稳定，其中最轻的奇异数粒子作为暗物质候选者。
• 使用玻尔兹曼方程计算遗迹密度，并与Planck/WMAP数据进行比较。
• 通过希格斯门户相互作用评估直接探测截面，并利用LUX限制约束参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有全局U(1)'对称性的两圈辐射狄拉克中微子模型是否能在TeV尺度下自然容纳多种暗物质候选粒子？
• RQ2 双组分（费米子 + 标量）与单组分（标量）暗物质情景在拟合观测到的遗迹密度和直接探测约束方面有何差异？
• RQ3 该模型是否可通过U(1)'破缺产生的戈尔登玻色子解释观测到的有效中微子种类数差异ΔN_eff ≈ 0.36 ± 0.34？
• RQ4 哪些参数范围可使模型同时满足遗迹密度与直接探测约束？
• RQ5 汤川耦合常数与标量势参数如何影响暗物质候选者的可行性？

主要发现

• 当截断尺度取在GUT尺度时，该模型通过两圈机制成功生成狄拉克中微子质量，其有效质量尺度极小（~0.01 eV）。
• 双组分暗物质（S和χ₁）可通过可调谐且独立的耦合，满足观测到的遗迹密度，并与LUX直接探测限制一致。
• 单组分玻色子暗物质候选者（χ₂I）可实现可行的遗迹密度并满足直接探测约束，当v′ ~ 1 TeV时，其四次耦合需约为O(0.5)。
• 一个质量约为500 MeV、混合角α较小的类希格斯粒子（H）可解释约0.39的ΔN_eff差异，与Planck和WMAP数据一致。
• 该模型预言了U(1)'破缺产生的戈尔登玻色子，若满足涉及m_h、m_H、v、v′和α的条件，可解释有效中微子自由度的过剩。
• 由于主导的s通道希格斯交换和耦合的微弱性，直接探测截面被抑制，使该模型能够避开当前LUX的限制。