Baryogenesis and Dark Matter in Multiple Hidden Sectors
Abstract: We explore a mechanism for producing the baryon asymmetry and dark matter in models with multiple hidden sectors that are Standard-Model-like but with varying Higgs mass parameters. If the field responsible for reheating the Standard Model and the exotic sectors carries an asymmetry, it can be converted into a baryon asymmetry using the standard sphaleron process. A hidden sector with positive Higgs mass squared can accommodate dark matter with its baryon asymmetry, and the larger abundance of dark matter relative to baryons is due to dark sphalerons being active all the way down the hidden sector QCD scale. This scenario predicts that dark matter is clustered in large dark nuclei and gives a lower bound on the effective relativistic degrees of freedom, $\Delta N_{\rm eff} \gtrsim 0.05$, which may be observable in the next-generation cosmic microwave background experiment CMB-S4.
- G. Dvali and M. Redi, Phys. Rev. D 80, 055001 (2009).
- S. M. Boucenna and S. Morisi, Front. in Phys. 1, 33 (2014), arXiv:1310.1904 [hep-ph] .
- M. Fukugita and T. Yanagida, Phys. Lett. B 174, 45 (1986).
- N. S. Manton, Phys. Rev. D 28, 2019 (1983).
- F. R. Klinkhamer and N. S. Manton, Phys. Rev. D 30, 2212 (1984).
- S. Khlebnikov and M. Shaposhnikov, Nucl. Phys. B 308, 885 (1988).
- R. J. Scherrer and M. S. Turner, Phys. Rev. D 31, 681 (1985).
- C. Maldonado and J. Unwin, JCAP 06, 037 (2019), arXiv:1902.10746 [hep-ph] .
- S. Nussinov, Phys. Lett. B 165, 55 (1985).
- K. Petraki and R. R. Volkas, Int. J. Mod. Phys. A 28, 1330028 (2013), arXiv:1305.4939 [hep-ph] .
- K. M. Zurek, Phys. Rept. 537, 91 (2014), arXiv:1308.0338 [hep-ph] .
- N. Aghanim et al. (Planck), Astron. Astrophys. 641, A6 (2020), [Erratum: Astron.Astrophys. 652, C4 (2021)], arXiv:1807.06209 [astro-ph.CO] .
- R. D. Pisarski and F. Wilczek, Phys. Rev. D 29, 338 (1984).
- G. Krnjaic and K. Sigurdson, Phys. Lett. B 751, 464 (2015), arXiv:1406.1171 [hep-ph] .
- L. Susskind, Phys. Rev. D 20, 2619 (1979).
- I. Affleck and M. Dine, Nucl. Phys. B 249, 361 (1985).
- T. Hambye and G. Senjanovic, Phys. Lett. B 582, 73 (2004), arXiv:hep-ph/0307237 .
- E. W. Kolb and M. S. Turner, The Early Universe, Vol. 69 (Addison-Wesley, 1990).
- S. Davidson and A. Ibarra, Phys. Lett. B 535, 25 (2002), arXiv:hep-ph/0202239 .
- A. M. Sirunyan et al. (CMS), Phys. Rev. D 100, 052003 (2019), arXiv:1905.10853 [hep-ex] .
- H. Vogel and J. Redondo, JCAP 02, 029 (2014), arXiv:1311.2600 [hep-ph] .
- G. Dvali and L. Funcke, Phys. Rev. D 93, 113002 (2016), arXiv:1602.03191 [hep-ph] .
- A. Loureiro et al., Phys. Rev. Lett. 123, 081301 (2019), arXiv:1811.02578 [astro-ph.CO] .
- E. O. Nadler et al. (DES), Phys. Rev. Lett. 126, 091101 (2021), arXiv:2008.00022 [astro-ph.CO] .
- S. L. Adler, Phys. Rev. 177, 2426 (1969).
- J. Bell and R. Jackiw, Nuovo Cim. A 60, 47 (1969).
- G. ’t Hooft, Phys. Rev. Lett. 37, 8 (1976).
- J. A. Harvey and M. S. Turner, Phys. Rev. D 42, 3344 (1990).
- G. D. Moore, in 4th International Conference on Strong and Electroweak Matter (2000) pp. 82–94, arXiv:hep-ph/0009161 .
- P. B. Arnold and L. D. McLerran, Phys. Rev. D 36, 581 (1987).
- L. G. Yaffe, Phys. Rev. D 40, 3463 (1989).
- L. Carson and L. D. McLerran, Phys. Rev. D 41, 647 (1990).
- J. Baacke and S. Junker, Phys. Rev. D 49, 2055 (1994), arXiv:hep-ph/9308310 .
- S. Khlebnikov and M. Shaposhnikov, Phys. Lett. B 387, 817 (1996), arXiv:hep-ph/9607386 .
- V. Rubakov and M. Shaposhnikov, Usp. Fiz. Nauk 166, 493 (1996), arXiv:hep-ph/9603208 .
- C. Jarlskog, Phys. Rev. Lett. 55, 1039 (1985a).
- C. Jarlskog, Z. Phys. C 29, 491 (1985b).
- G. R. Farrar and M. E. Shaposhnikov, Phys. Rev. D 50, 774 (1994).
- Z. Fodor and S. D. Katz, JHEP 03, 014 (2002), arXiv:hep-lat/0106002 .
- J. Braun and H. Gies, JHEP 06, 024 (2006), arXiv:hep-ph/0602226 .
- K. Miura and M. P. Lombardo, Nucl. Phys. B 871, 52 (2013), arXiv:1212.0955 [hep-lat] .
- J. Gasser and H. Leutwyler, Phys. Rept. 87, 77 (1982).
- S. Samuel, Nucl. Phys. B 597, 70 (2001), arXiv:hep-ph/9910559 .
- E. Witten, Phys. Rev. D 30, 272 (1984).
- E. Melkonian, Phys. Rev. 76, 1744 (1949).
- T. L. Houk, Phys. Rev. C 3, 1886 (1971).
- G. L. Squires and A. T. Stewart, Proceedings of the Royal Society of London Series A 230, 19 (1955).
- P. F. Bedaque and U. van Kolck, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 52, 339 (2002), arXiv:nucl-th/0203055 .
- A. Andronic, Int. J. Mod. Phys. A 29, 1430047 (2014), arXiv:1407.5003 [nucl-ex] .
- Y. Bai and A. J. Long, JHEP 06, 072 (2018), arXiv:1804.10249 [hep-ph] .
- C. Quigg and R. Shrock, Phys. Rev. D 79, 096002 (2009).
- M. D. Schwartz, Quantum Field Theory and the Standard Model (Cambridge University Press, 2014).
- A. Katz and M. Perelstein, JHEP 07, 108 (2014), arXiv:1401.1827 [hep-ph] .
- G. D. Moore and K. Rummukainen, Phys. Rev. D 61, 105008 (2000), arXiv:hep-ph/9906259 .
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.