[论文解读] Two Loop Radiative Seesaw and X-ray line Dark Matter with Global U(1) Symmetry

Hiroshi Okada|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 15

一句话总结

该论文提出了一种具有全局 U(1) 对称性的两圈辐射中微子模型，同时解释了来自暗物质衰变的 7.1 keV X 射线谱线，并生成亚 eV 量级的中微子质量。该模型包含一个轻的暗物质候选者（7.1 keV），通过微小耦合与活性中微子混合，而其遗迹密度则通过湮灭为一对戈戈斯通玻色子实现，且满足轻子味破坏和希格斯玻色子隐形衰变率的所有约束条件。

ABSTRACT

We study a two loop induced radiative neutrino model with global $U(1)$ symmetry at 1 GeV scale, in which we explain the X-ray line at 7.1 keV of dark matter candidate reported by XMN-Newton X-ray observatory using data of various galaxy clusters and Andromeda galaxy. We also discuss Higgs sector, lepton flavor violation processes, and a physical Goldstone boson.

研究动机与目标

• 利用与活性中微子有微小混合的暗物质候选者，解释在星系团和仙女座星系中 XMM-Newton 数据观测到的 7.1 keV X 射线谱线。
• 构建一个与全局 U(1) 对称性一致的两圈辐射 seesaw 机制，以生成中微子质量，同时避免产生大的味破坏过程。
• 通过自发破缺全局 U(1) 对称性产生的戈戈斯通玻色子对湮灭，实现正确的暗物质遗迹密度。
• 满足来自轻子味破坏、轻子普遍性以及标准模型希格斯玻色子隐形衰变宽度的约束条件。
• 通过避免有效中微子种类数和恒星能量损失方面对戈戈斯通玻色子的限制，确保宇宙学上的可行性。

提出的方法

• 向标准模型引入三个规范 singlet Majorana 费米子 $N_R$，两个带电 singlet 标量 $\chi_1^+, \chi_2^+$，以及一个中性 singlet 标量 $\varphi$。
• 施加具有非平凡电荷的全局 $U(1)$ 对称性，以抑制树图级中微子质量，并通过 Zee-Babu 类型图实现两圈生成中微子质量。
• 假设标准模型类希格斯 $\Phi$ 和 singlet 标量 $\varphi$ 的真空期望值，其中 $v' \approx 1$ GeV，以设定暗物质质量尺度。
• 为第一代引入微小的 Yukawa 耦合 $g'$，以生成所需的 $\sin^2 2\theta \approx 10^{-10}$ 混合角，从而实现 X 射线谱线衰变。
• 通过在 Yukawa 耦合和 $M_N$ 上进行数值扫描，满足所有现象学约束条件，包括 LFV、希格斯隐形宽度和遗迹密度。
• 计算戈戈斯通玻色子对 $\Delta N_{\rm eff}$ 的贡献，并表明其在 95% 置信水平下与普朗克数据一致（$\lesssim 0.33$）。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有全局 U(1) 对称性的两圈辐射 seesaw 模型能否同时解释 7.1 keV X 射线谱线并生成亚 eV 量级的中微子质量？
• RQ2 质量为 7.1 keV 的暗物质候选者如何通过湮灭为一对戈戈斯通玻色子实现正确的遗迹密度？
• RQ3 轻子味破坏、轻子普遍性以及隐形希格斯衰变宽度对模型参数施加了哪些约束？
• RQ4 该模型在宇宙学上是否可行，特别是关于有效相对论种类数 $\Delta N_{\rm eff}$ 和恒星能量损失方面？
• RQ5 尽管存在戈戈斯通玻色子，该模型是否能避免与轴子搜索及其他宇宙学限制产生冲突？

主要发现

• 该模型成功解释了 7.1 keV X 射线谱线，其机制为暗物质候选者衰变为一个中微子和一个光子，要求混合角 $\sin^2 2\theta \approx 10^{-10}$。
• 暗物质的遗迹密度通过热生成机制实现，其湮灭产物为一对戈戈斯通玻色子，其中 $v' \approx 1$ GeV，$m_{h_1} \approx 0.051$ GeV，满足观测到的暗物质丰度。
• 该模型满足隐形希格斯衰变宽度的约束，其宽度 $\Gamma_{\rm inv} \approx 0.0464$ GeV，远低于实验上限 0.2 GeV。
• 数值扫描共找到 506 个满足所有约束条件的可行点，包括轻子味破坏和轻子普遍性，其中 $M_N \in [10^{-5}, 10^{-4}]$ GeV，Yukawa 耦合 $f, g \in [5 \times 10^{-3}, 0.1]$。
• 有效相对论种类数 $\Delta N_{\rm eff} \approx 0.045$ 与普朗克数据一致，且戈戈斯通玻色子仅通过矢量流耦合，从而避开宇宙弦和恒星能量损失的约束。
• 中微子质量的主要贡献估计为 $\mathcal{O}(10^{-9})$ eV，与观测到的 $\sim 0.01$ eV 量级相比可忽略不计，证实两圈机制为次要贡献。