含暗物质的中微子质量模型及唯象学研究

These are two direct evidences supported by experiments for the existence of new physics beyond the standard model of particle physics: on the one hand, observations such as the rotation curves of the galaxies and the cosmic microwave background indicate the existence of dark matter, and on the other hand, neutrino oscillation experiments show that the neutrinos have tiny masses. This project will link these two aspects naturally by considering the neutrino mass model with dark matter. In this kind of models, the neutrino mass is generated radiatively by the dark matter propagating in the loop. The model usually introduces certain symmetries in order to forbid lower order neutrino mass generation and stabilize dark matter. This project will discuss the viable pathways of the neutrino mass model with the dark matter under continuous symmetry (e.g., U(1)B-L, U(1)Lμ-Lτ). Phenomenological studies will involve reproducing the neutrino oscillation experiment parameters, constraints from lepton flavor violation process, generating matter-antimatter asymmetry via leptogenesis mechanism, dark matter relic density, the dark matter direct detection bounds, indirect detection signals, characteristic signal simulation of TeV-scale new particles at the large hadron collider, interpretation of other suspected new physics signal, etc.

实验支持的超出粒子物理标准模型的新物理的直接证据有两个：一个是星系旋转曲线和宇宙微波背景等观测表明暗物质的存在，另一个是中微子振荡实验表明中微子有微小的质量。本项目将采用含暗物质的中微子质量模型把这两方面自然地联系起来。在该类模型中，中微子质量通过暗物质在圈图内传导从而辐射产生。为了禁戒低阶中微子质量产生以及稳定暗物质，该类模型通常会引入特定对称性。本项目将探讨连续对称性（如U(1)B-L、U(1)Lμ-Lτ）下，含暗物质的中微子质量模型的可行方案。唯象研究内容将会涉及到中微子振荡实验参数重现、轻子味道破坏过程限制、通过轻子生成机制产生正反物质不对称性、暗物质残留密度、暗物质直接探测限制、暗物质间接探测信号、TeV能标新粒子在大型强子对撞机上的特征信号模拟、其它疑似新物理信号解释等。

暗物质粒子与微小中微子质量是超出粒子标准模型新物理的两个明显证据。本项目详细研究了含暗物质的中微子质量模型及其唯象学。主要研究内容包括以下几方面：1) 构建在扩展的U(1)B-2Lα-Lβ、U(1)B-3Lα、U(1)Lμ-Lτ对称性下的暗辐射产生类模型并研究唯像预言。在该类模型中可以实现已经广泛研究的中微子质量矩阵零结构，例如U(1)B-2Lα-Lβ对称性可以实现6类含两个零元素的中微子质量矩阵，这些零结构预言的中微子振荡参数可以在将来的中微子振荡实验中进行检验。研究表明，如果暗物质粒子为最轻的右手中微子N1，该粒子很有可能被将来的暗物质直接探测实验探测到，同时暗物质湮灭还有可能解释AMS观察到的正电子超出，模型预言的新规范玻色子Z‘粒子也能在对撞机上产生可观测信号。2) 研究了Dirac型暗辐射产生模型的唯象学，计算结果发现在轻子味道改变过程的严格限制下，该模型仍然能产生可观测的间接探测和在单圈水平上的直接探测信号，因此有可能跟Majorana型模型区分开来。3) 研究了FIMP型暗物质、轻子生成机制和右手中微子N的关系，即右手中微子N可以通过跷跷板机制产生微小的中微子质量，可以通过轻子生成机制产生重子不对称，可以通过freeze-in机制直接衰变产生暗物质粒子。项目研究了TeV能标的中微子耦合Higgs二重态模型，给出了可行模型可行参数空间。另外，还研究了快速膨胀宇宙模型对轻子生成机制和FIMP暗物质的影响。4) 研究暗物质及中微子模型在对撞机上的信号。在惰性Higgs二重态模型中，项目研究了pp->H±H±jj->l±l±jj+MET的同号双轻子信号，模拟表明在14TeV的LHC上该信号不显著，但在27TeV的高能LHC上可以观测到。在第二类跷跷板模型中，特定的参数空间预言了同号四轻子信号，对于H±±->l±l±衰变模式，考虑到现在的观测限制只有H±±质量在1TeV附近时才在轻子对撞机上有可观测信号；对于H±±->W±W±衰变模式，轻子对撞机的信号区间为[350,800]GeV。总之，这些研究从理论上探讨了暗物质与中微子质量的关系，唯象学研究为后续实验研究奠定了理论基础。