[论文解读] $U(1)_χ$, Seesaw Dark Matter, and Higgs Decay

Ernest Ma|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用 8

一句话总结

该论文提出了一种在标准模型的 $U(1)_\chi$ 规范扩展框架下，通过希格斯玻色子的稀有衰变并借助抑制的约当耦合，实现轻型 seesaw 暗物质的新机制。该模型实现了弱相互作用大质量粒子（FIMP）暗物质的冻结产生，其遗迹丰度与观测结果一致，同时由于 $Z_\chi$ 规范 boson 质量较重，使得该暗物质在直接和间接探测中均不可探测。

ABSTRACT

It has recently been pointed out that the underlying symmetry of dark matter may well be $U(1)_χ$ (coming from $SO(10) o SU(5) imes U(1)_χ$) with the dark parity of any given particle determined by $(-1)^{Q_χ+2j}$, where $Q_χ$ is its $U(1)_χ$ charge and $j$ its spin angular momentum. Armed with this new insight, previous simple models of dark matter are reinterpreted, and a novel idea is proposed that light seesaw dark matter exists in analogy to light neutrinos and is produced by the rare decay of the standard-model Higgs boson.

研究动机与目标

• 在源自 $SO(10)\to SU(5)\times U(1)_\chi$ 的 $U(1)_\chi$ 对称性框架下，重新诠释现有的暗物质模型。
• 提出一种类似于轻子中微子质量生成机制的轻型 seesaw 暗物质新机制。
• 证明暗物质可通过希格斯衰变过程，借助抑制的约当耦合实现，从而实现冻结产生。
• 表明由于 $Z_\chi$ 规范 boson 质量较重，此类暗物质在直接和间接探测中均不可探测。

提出的方法

• 引入一个 $U(1)_\chi$ 规范对称性，利用依赖于 $Q_\chi$ 的暗物质宇称 $(-1)^{Q_\chi + 2j}$ 来稳定暗物质。
• 利用 $SO(10)$ 的 $\mathbf{126}$ 表示来在 TeV 能标下实现 $U(1)_\chi$ 的自发对称性破缺，并生成一个重的右手中微子 $\nu^c$。
• 引入一个在 $SU(5)\times U(1)_\chi$ 下变换为 $(1,-10)$ 的暗物质费米子 $D_\chi$，通过与 $\nu^c$ 的 $\zeta$ 标量耦合生成小的 seesaw 质量。
• 引入一个三线耦合 $\zeta^*ss$，将复标量分裂为两个实标量，其中较轻者作为暗物质。
• 通过涉及 $H$ 和 $\zeta_R$ 的标量质量矩阵中的混合，推导出希格斯到暗物质的耦合 $f_H$，导致 $\Gamma_H \propto f_H^2$。
• 分析通过 $H \to D_\chi D_\chi$ 衰变实现的 $D_\chi$ 的冻结产生过程，假设再热温度低于 $m_H$ 且高于 $m_{D_\chi}$。

实验结果

研究问题

• RQ1 $U(1)_\chi$ 对称性是否能通过 $(-1)^{Q_\chi + 2j}$ 提供一种自然的暗物质稳定机制？
• RQ2 是否可能通过类比中微子 seesaw 机制的希格斯衰变过程，生成轻型 seesaw 暗物质？
• RQ3 为实现通过冻结产生机制获得正确的遗迹丰度，对约当耦合 $f_H$ 的现象学约束是什么？
• RQ4 $Z_\chi$ 规范 boson 的质量如何影响 $D_\chi$ 的直接和间接探测前景？
• RQ5 $U(1)_\chi$ 框架是否能在保持中微子与暗物质 seesaw 机制的同时，与标准模型统一？

主要发现

• 一个质量约为 5 GeV 的轻型费米子暗物质候选者 $D_\chi$ 通过抑制的约当耦合 $f_H \sim 5 \times 10^{-12}$ 由希格斯衰变产生，与冻结产生机制一致。
• $Z_\chi$ 规范 boson 的质量被预测为 $m_{Z_\chi} \sim 10^7$ GeV，使其在 LHC 上不可探测，且显著抑制了与核子的弹性散射。
• 通过希格斯衰变实现的 $D_\chi$ 遗迹丰度满足宇宙学约束，其中 $f_H \sim 10^{-12} x^{-1/2}$，$x = m_{D_\chi}/m_H \ll 1$。
• 对 $D_\chi$ 的 seesaw 机制与中微子的机制类似：一个具有大马约拉纳质量的重 $N$ 态通过与 $\zeta$ 的耦合，生成了 $D_\chi$ 的小质量，其中 $m_{D_\chi} \sim \text{GeV}$，$m_N \sim 10^{14}$ GeV。
• $U(1)_\chi$ 的对称性破缺尺度 $u \sim 10^7$ GeV 与中间 seesaw 尺度一致，且 $D_\chi$ 在温度低于 $T \sim 5.2$ TeV 时即从热浴中退耦。
• 通过将统一尺度推高至超过 $10^{16}$ GeV，该模型避开了质子衰变约束，且通过在中间尺度引入新粒子，可实现 $SU(5)\times U(1)_\chi$ 的统一。