Scotogenic dark matter from gauged $B-L$

Résumé Technique : Matière Noire Scotogénique issue d'un $B-L$ Gauger

Énoncé du Problème
Le Modèle Standard (MS) ne parvient pas à expliquer l'origine des masses des neutrinos et manque d'un candidat viable et stable pour la Matière Noire (MN). Bien que le modèle scotogénique offre une explication unifiée en générant les masses des neutrinos au niveau d'une boucle (one-loop) médiée par un candidat de matière noire, la symétrie qui stabilise la matière noire est souvent une symétrie globale $Z_2$ ad hoc. Ce travail répond à la nécessité d'une origine plus fondamentale de cette stabilité en intégrant le mécanisme scotogénique dans une extension du MS par un groupe $U(1)_{B-L}$ gauger. Plus précisément, les auteurs étudient un contenu fermionique minimal exempt d'anomalies qui diffère des trois neutrinos à droite standards ($B-L = -1$), en utilisant une attribution de charges spécifique pour générer une parité de matière résiduelle qui stabilise naturellement le candidat de matière noire.

Méthodologie
Les auteurs proposent une extension du groupe de jauge du MS en $SU(3)_c \otimes SU(2)_L \otimes U(1)_Y \otimes U(1)_{B-L}$. Le modèle introduit :

• Fermions : Trois fermions de droite électriquement neutres ($N_1, N_2, X$) avec des charges $B-L$ $(-4, -4, 5)$ pour annuler les anomalies de jauge, ainsi qu'un fermion vectoriel $F$ pour générer les masses de $X$.
• Scalaires : Trois singulets scalaires actifs ($\phi_2, \phi_6, \phi_8$), un doublet inert de type "dark" ($\eta$), et un singulet scalaire "dark" ($\sigma$).

La symétrie $U(1)_{B-L}$ est brisée spontanément de deux unités par les valeurs attendues (VEV) des scalaires singulets. Cette rupture de symétrie laisse une symétrie $Z_2$ locale résiduelle, identifiée comme la parité de matière ($MP = (-1)^{3(B-L)+2s}$), qui stabilise la particule la plus légère possédant une parité $MP$ impaire.

L'analyse procède par les étapes suivantes :

1. Spectre des Bosons : Le potentiel scalaire est construit et les conditions de minimisation sont dérivées. Les matrices de masse pour les scalaires chargés, CP-impairs et CP-pairs sont diagonalisées pour identifier les états physiques, incluant le Higgs de type SM, les scalaires lourds et les bosons de Goldstone absorbés par les bosons de jauge $Z$ et $Z'$.
2. Génération de la Masse des Neutrinos : Un mécanisme scotogénique est implémenté où les masses des neutrinos actifs légers sont générées au niveau d'une boucle (one-loop). La boucle implique les fermions neutres $N_1, N_2$ et les scalaires sombres ($\eta, \sigma$). Le Lagrangien de Yukawa est analysé pour dériver la matrice de masse des neutrinos.
3. Contraintes Phénoménologiques : Le modèle est testé par rapport aux limites de la double bêta décroissance sans neutrino ($0\nu\beta\beta$) et aux contraintes d'abondance de relique de la matière noire. Le candidat de matière noire est identifié comme le scalaire neutre le plus léger ($\phi_2$) dans le secteur sombre. La densité de relique et les sections efficaces de détection directe sont calculées à l'aide du package micrOMEGAS.

Contributions Clés et Résultats

• Attribution de Charge Exempt d'Anomalies : Le modèle utilise avec succès un ensemble minimal de trois fermions de droite neutres avec des charges $(-4, -4, 5)$ pour annuler toutes les anomalies de jauge, fournissant une alternative spécifique à l'attribution standard $B-L=-1$.
• Matrice de Masse de Neutrinos de Rang 2 : En raison de la présence de seulement deux médiateurs fermioniques sombres ($N_1, N_2$) dans la boucle scotogénique, la matrice de masse des neutrinos actifs légers résultante a un rang de 2. Cela prédit un état de neutrino sans masse.
  • Pour l'Ordre Normal (NO), $m_1 = 0$.
  • Pour l'Ordre Inversé (IO), $m_3 = 0$.
• Double Bêta Décroissance sans Neutrino ($0\nu\beta\beta$) : La prédiction d'un neutrino sans masse empêche l'interférence destructive qui pourrait autrement conduire à une masse de Majorana effective ($\langle m_{\beta\beta} \rangle$) nulle. Par conséquent, le modèle impose une limite inférieure stricte sur $\langle m_{\beta\beta} \rangle$. Les auteurs trouvent que pour l'Ordre Inversé, la masse effective prédite se situe dans la plage de sensibilité des expériences de prochaine génération (ex: nEXO, LEGEND).
• Viabilité de la Matière Noire : Le scalaire neutre le plus léger ($\phi_2$) est identifié comme un candidat WIMP (particule massive interagissant faiblement).
  • Le modèle reproduit l'abondance de relique correcte ($\Omega h \approx 0,12$) principalement via les interactions du portail de Higgs (couplage $\lambda_8$).
  • L'espace des paramètres est considérablement élargi par les effets de re-diffusion lorsque les masses des scalaires physiques $\phi_1$ et $\phi_2$ sont presque dégénérées ($m_{\phi_1} \approx m_{\phi_2}$).
  • Les auteurs identifient des régions viables sous les limites actuelles de détection directe (LUX-ZEPLIN, PandaX-4T, XENON1T), particulièrement près de la résonance de Higgs ($m_{DM} \approx m_h/2$) et pour des masses lourdes ($m_{DM} > 1$ TeV).

Signification
L'article affirme présenter une extension de jauge minimale et exempte d'anomalies où la stabilité de la matière noire n'est pas une imposition ad hoc mais émerge naturellement de la rupture spontanée d'une symétrie $B-L$ gaugée. En liant le candidat de matière noire au mécanisme générant les masses des neutrinos, le modèle offre une explication unifiée pour deux lacunes majeures du MS. La prédiction spécifique d'un état de neutrino sans masse et la limite inférieure non nulle pour la décroissance $0\nu\beta\beta$ qui en résulte fournissent une signature distincte et testable pour cette classe de modèles scotogéniques. Les auteurs notent que bien qu'un modèle similaire soit apparu dans la littérature durant leur révision, leur contenu de champ et leurs attributions de charges spécifiques soulignent l'existence d'une classe plus large de modèles scotogéniques utilisant des fermions avec $B-L = -4$ comme médiateurs.