单态-三重态费米子模型中的WIMP与FIMP暗物质

我们提出一个标准模型（SM）的扩展，包含三个三重态费米子、一个三重态标量和一个单态费米子，可同时解释中微子质量与暗物质。其中一组三重态费米子与单态在$Z_2$对称性下为奇，因此该模型具有两种可能的暗物质候选者。其余两个$Z_2$偶的三重态费米子可重现与观测一致的中微子质量与振荡参数。我们考虑单态具有极弱耦合而三重态为弱相互作用的情形，并研究重现观测暗物质遗迹密度的不同可能性。这包括三重态WIMP从冻结-out产生以及由单态衰变产生，还有单态由属于热浴或热退耦粒子的衰变通过冻结-in产生。虽然冻结-in产生通常由衰变过程主导，我们也展示了湮灭过程对最终遗迹密度有显著贡献的情形。这发生在新标量低于TeV尺度时，因而在LHC可及范围内。次轻奇粒子可能长寿命，并会改变成功的BBN对轻元素丰度的预言，这些约束在单态或三重态为长寿命粒子的两种情形下均相关。在三重态为暗物质时，该模型受到进行中的直接、间接和对撞机实验约束。当单态为暗物质时，作为次轻奇粒子的三重态可能长寿命，并可在拟建的MATHUSLA探测器上被探测。最后我们还讨论了LHC上对三重态费米子与标量的探测前景。