通过轻狄拉克中微子门户的冻入暗物质

我们提出一种情形，其中由于标准模型（SM）与暗 sector 粒子之间存在轻狄拉克中微子门户，暗物质（DM）可经非热方式产生。SM 被极小扩增至三个右手中微子（$\nu_R$）、一个狄拉克费米子 DM 候选者（$\psi$）以及一个复标量（$\phi$），它们在未破缺的 $\mathbb{Z}_4$ 对称性下非平凡变换，而在 SM 规范群下为单态。由于 DM 与 $\nu_R$ 的耦合被认为极弱从而处于非热或冻入（freeze-in）区，$\phi$ 可依据其希格斯门户耦合强度热产生或非热产生。我们考虑这两种可能性，并通过冻入机制求出所得 DM 丰度，以在 Planck 2018 数据下约束模型参数。由于产生 DM 的相互作用也产生相对论性 $\nu_R$，我们依据现有界限与未来灵敏度检验了对有效相对论自由度 $\Delta {\rm N}_{\rm eff}$ 的增强贡献。我们还检验了来自结构形成要求对此类冻入 DM 自由流长度的严格约束。此类约束可排除高达 $\mathcal{O}(100 \, {\rm keV})$ 的 DM 质量，同时保持 $\Delta {\rm N}_{\rm eff} \leq \mathcal{O}(10^{-3})$，使之超出近未来实验的探测范围。该极小模型的可能扩展可导致可观测的 $\Delta {\rm N}_{\rm eff}$，从而可在下一代实验中探测。