具有可观测 $\Delta{N_{\rm eff}}$ 的光狄拉克中微子门户暗物质

我们通过用三个右手中微子($\nu_R$)、一个狄拉克费米子暗物质候选者($\psi$)和一个复标量($\phi$)最小地扩展标准模型(SM)的粒子内容，提出了一种狄拉克中微子门户暗物质情景，所有这些粒子在 SM 规范群下均为单态。引入了一个额外的 $\mathbb{Z}_4$ 对称性以保证暗物质候选者 $\psi$ 的稳定性，同时保证轻中微子的狄拉克性质。右手中微子和暗物质由于涉及 $\nu_R$、$\psi$ 和 $\phi$ 的新 Yukawa 相互作用而与 SM 等离子体热化，而后者通过 Higgs 门户相互作用保持热接触。当 $\phi$ 失去与 SM 等离子体的动力学平衡时，$\nu_R$ 解耦，此后所有三个 $\mathbb{Z}_4$ 带电粒子在它们之间形成温度为 $T_{\nu_R}$ 的平衡。暗物质候选者 $\psi$ 最终在暗 sector 内冻结并保留其遗迹丰度。我们发现在当前情景中，一部分低质量暗物质($M_{\psi}\lesssim10$ GeV)已被 Planck 2018 数据排除，因为这些数据要求 $\nu_R$ 在低于 600 MeV 的温度下处于热浴中，从而对 $N_{\rm eff}$ 产生过剩贡献。像 CMB-S4、SPT-3G 等下一代实验将具备所需的灵敏度来探测这一最小情景的整个模型参数空间，特别是 $\psi$ 的低质量范围，而直接探测实验目前仍不足以探测该范围。