[论文解读] WIMP and FIMP Dark Matter in Singlet-Triplet Fermionic Model

G. Bélanger, Sandhya Choubey+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

该论文提出了一种具有 Z2 对称性的单重态-三重态费米子模型，可在单一框架内实现 WIMP 和 FIMP 暗物质（DM）。该研究探讨了三重态的冻结析出（freeze-out）、单重态的冻结注入（freeze-in）以及次轻奇粒子（NLOP）的晚期衰变，表明当晚期衰变贡献时，即使在 1 TeV 以下也能实现原初丰度。该模型在大爆炸核合成（BBN）、直接/间接探测以及对撞机约束下依然可行，且在 LHC 和 MATHUSLA 上具有可探测的信号，适用于长寿命的 NLOP。

ABSTRACT

We present an extension of the SM involving three triplet fermions, one triplet scalar and one singlet fermion, which can explain both neutrino masses and dark matter. One triplet of fermions and the singlet are odd under a $Z_2$ symmetry, thus the model features two possible dark matter candidates. The two remaining $Z_2$-even triplet fermions can reproduce the neutrino masses and oscillation parameters consistent with observations. We consider the case where the singlet has feeble couplings while the triplet is weakly interacting and investigate the different possibilities for reproducing the observed dark matter relic density. This includes production of the triplet WIMP from freeze-out and from decay of the singlet as well as freeze-in production of the singlet from decay of particles that belong to the thermal bath or are thermally decoupled. While freeze-in production is usually dominated by decay processes, we also show cases where the annihilation of bath particles give substantial contribution to the final relic density. This occurs when the new scalars are below the TeV scale, thus in the reach of the LHC. The next-to-lightest odd particle can be long-lived and can alter the successful BBN predictions for the abundance of light elements, these constraints are relevant in both the scenarios where the singlet or the triplet are the long-lived particle. In the case where the triplet is the DM, the model is subject to constraints from ongoing direct, indirect and collider experiments. When the singlet is the DM, the triplet which is the next-to-lightest odd particle can be long-lived and can be probed at the proposed MATHUSLA detector. Finally we also address the detection prospects of triplet fermions and scalars at the LHC.

研究动机与目标

• 通过引入一个费米子三重态、一个单重态和一个标量三重态来扩展标准模型（SM），以同时解释中微子质量与暗物质。
• 在单一模型中研究 WIMP 和 FIMP 暗物质的产生机制——包括冻结析出、冻结注入以及晚期衰变。
• 评估大爆炸核合成（BBN）对长寿命次轻奇粒子（NLOP）的宇宙学约束。
• 评估在 LHC 和未来探测器（如 MATHUSLA）中对三重态费米子和奇异 Higgs 玻色子的对撞机探测前景。

提出的方法

• 提出一种具有三个三重态费米子、一个单重态费米子和一个三重态标量的 SM Z2 对称性扩展，其中单重态和一个三重态在 Z2 下为奇，确保任一粒子作为暗物质的稳定性。
• 利用 Type-III seesaw 机制，通过三重态与单重态费米子之间的混合生成轻子中微子质量。
• 通过数值求解玻尔兹曼方程来计算暗物质原初丰度，考虑热浴中 NLOP 通过衰变、湮灭和熔合过程的产生。
• 应用热场论技术，包括碰撞积分和热平均截面，以模拟冻结注入与冻结析出过程。
• 施加来自 BBN、直接/间接探测以及 LHC 搜索的约束，以检验模型的可行性。
• 通过 ATLAS/CMS 的位移顶点搜索以及 MATHUSLA 探测器对长寿命 NLOP 的探测潜力进行评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一模型是否能通过不同的产生机制同时实现 WIMP 和 FIMP 暗物质？
• RQ2 次轻奇粒子（NLOP）的晚期衰变如何影响观测到的原初丰度，特别是在暗物质质量低于 1 TeV 的情况下？
• RQ3 大爆炸核合成（BBN）对长寿命 NLOP 的宇宙学约束是什么？这些约束如何取决于 NLOP 是单重态还是三重态？
• RQ4 三重态费米子和奇异 Higgs 玻色子的对撞机信号特征是什么？它们是否可在 LHC 或未来实验（如 MATHUSLA）中探测到？
• RQ5 热浴粒子的湮灭在 FIMP 产生中能贡献多少，特别是在新标量粒子质量低于 TeV 量级时？

主要发现

• 由于 NLOP 的晚期衰变贡献，即使三重态暗物质质量低于 1 TeV，该模型仍能实现观测到的暗物质原初丰度，从而将标准冻结析出阈值从 2.4 TeV 降低。
• 当单重态作为 FIMP 时，冻结注入主要由衰变过程主导，但当新标量粒子质量低于 TeV 量级时，热浴粒子的湮灭也可能显著贡献。
• NLOP 可以具有长寿命，其在 BBN 期间的晚期衰变会改变轻元素的丰度；在施加 BBN 约束后，该模型在大范围参数空间内仍保持可行。
• 当三重态作为暗物质时，其受到直接探测、间接探测和对撞机搜索的限制，但该模型在广泛的质量和耦合范围内依然可行。
• 当单重态作为 FIMP 时，可通过 MATHUSLA 探测器探测到长寿命三重态 NLOP 产生的位移顶点，提供一种独特的发现通道。
• 三重态费米子和奇异 Higgs 玻色子（H2）在 LHC 上具有可探测的信号，尤其通过消失轨迹和位移顶点，尤其在 NLOP 长寿命时更为显著。