We review observational evidence for a matter–antimatter asymmetry in the early universe, which leads to the remnant matter density we observe today. We also discuss bounds on the presence of antimatter in the present-day universe, including the possibility of a large lepton asymmetry in the cosmic neutrino background. We briefly review the theoretical framework within which baryogenesis, the dynamical generation of a matter–antimatter asymmetry, can occur. As an example, we discuss a testable minimal particle physics model that simultaneously explains the baryon asymmetry of the universe, neutrino oscillations and dark matter.

We review sterile neutrinos as possible Dark Matter candidates. After a short summary on the role of neutrinos in cosmology and particle physics, we give a comprehensive overview of the current status of the research on sterile neutrino Dark Matter. First we discuss the motivation and limits obtained through astrophysical observations. Second, we review different mechanisms of how sterile neutrino Dark Matter could have been produced in the early universe. Finally, we outline a selection of future laboratory searches for keV-scale sterile neutrinos, highlighting their experimental challenges and discovery potential.

This paper describes the physics case for a new fixed target facility at CERN SPS. The SHiP (search for hidden particles) experiment is intended to hunt for new physics in the largely unexplored domain of very weakly interacting particles with masses below the Fermi scale, inaccessible to the LHC experiments, and to study tau neutrino physics. The same proton beam setup can be used later to look for decays of tau-leptons with lepton flavour number non-conservation, and to search for weakly-interacting sub-GeV dark matter candidates. We discuss the evidence for physics beyond the standard model and describe interactions between new particles and four different portals—scalars, vectors, fermions or axion-like particles. We discuss motivations for different models, manifesting themselves via these interactions, and how they can be probed with the SHiP experiment and present several case studies. The prospects to search for relatively light SUSY and composite particles at SHiP are also discussed. We demonstrate that the SHiP experiment has a unique potential to discover new physics and can directly probe a number of solutions of beyond the standard model puzzles, such as neutrino masses, baryon asymmetry of the Universe, dark matter, and inflation.

We show that, leaving aside accelerated cosmic expansion, all experimental data in high energy physics that are commonly agreed to require physics beyond the Standard Model can be explained when completing the model by three right-handed neutrinos that can be searched for using present-day experimental techniques. The model that realizes this scenario is known as the Neutrino Minimal Standard Model ($\ensuremath{\nu}\mathrm{MSM}$). In this article we give a comprehensive summary of all known constraints in the $\ensuremath{\nu}\mathrm{MSM}$, along with a pedagogical introduction to the model. We present the first complete quantitative study of the parameter space of the model where no physics beyond the $\ensuremath{\nu}\mathrm{MSM}$ is needed to simultaneously explain neutrino oscillations, dark matter, and the baryon asymmetry of the Universe. The key new point of our analysis is leptogenesis after sphaleron freeze-out, which leads to resonant dark matter production, thus evading the constraints on sterile neutrino dark matter from structure formation and x-ray searches. This requires one to track the time evolution of left- and right-handed neutrino abundances from hot big bang initial conditions down to temperatures below the QCD scale. We find that the interplay of resonant amplifications, $CP$-violating flavor oscillations, scatterings, and decays leads to a number of previously unknown constraints on the sterile neutrino properties. We furthermore reanalyze bounds from past collider experiments and big bang nucleosynthesis in the face of recent evidence for a nonzero neutrino mixing angle ${\ensuremath{\theta}}_{13}$. We combine all our results with existing constraints on dark matter properties from astrophysics and cosmology. Our results provide a guideline for future experimental searches for sterile neutrinos. A summary of the constraints on sterile neutrino masses and mixings has appeared in Canetti et al. [Phys. Rev. Lett. 110, 061801 (2013)]. In this article we provide all details of our calculations and give constraints on other model parameters.

Neutrinos are the only particles in the Standard Model of particle physics that have only been observed with left handed chirality to date. If right handed neutrinos exist, they could be responsible for several phenomena that have no explanation within the Standard Model, including neutrino oscillations, the baryon asymmetry of the universe, dark matter and dark radiation. After a pedagogical introduction, we review recent progress in the phenomenology of right handed neutrinos. We in particular discuss the mass ranges suggested by hints for neutrino oscillation anomalies and dark radiation (eV), sterile neutrino dark matter scenarios (keV) and experimentally testable theories of baryogenesis (GeV to TeV). We summarize constraints from theoretical considerations, laboratory experiments, astrophysics and cosmology for each of these.

We present a comprehensive review of keV-scale sterile neutrino Dark Matter, collecting views and insights from all disciplines involved - cosmology, astrophysics, nuclear, and particle physics - in each case viewed from both theoretical and experimental/observational perspectives. After reviewing the role of active neutrinos in particle physics, astrophysics, and cosmology, we focus on sterile neutrinos in the context of the Dark Matter puzzle. Here, we first review the physics motivation for sterile neutrino Dark Matter, based on challenges and tensions in purely cold Dark Matter scenarios. We then round out the discussion by critically summarizing all known constraints on sterile neutrino Dark Matter arising from astrophysical observations, laboratory experiments, and theoretical considerations. In this context, we provide a balanced discourse on the possibly positive signal from X-ray observations. Another focus of the paper concerns the construction of particle physics models, aiming to explain how sterile neutrinos of keV-scale masses could arise in concrete settings beyond the Standard Model of elementary particle physics. The paper ends with an extensive review of current and future astrophysical and laboratory searches, highlighting new ideas and their experimental challenges, as well as future perspectives for the discovery of sterile neutrinos.

We demonstrate for the first time that three sterile neutrinos alone can simultaneously explain neutrino oscillations, the observed dark matter, and the baryon asymmetry of the Universe without new physics above the Fermi scale. The key new point of our analysis is leptogenesis after sphaleron freeze-out, which leads to resonant dark matter production, evading thus the constraints on sterile neutrino dark matter from structure formation and x-ray searches. We identify the range of sterile neutrino properties that is consistent with all known constraints. We find a domain of parameters where the new particles can be found with present day experimental techniques, using upgrades to existing experimental facilities.

Abstract With the establishment and maturation of the experimental programs searching for new physics with sizeable couplings at the LHC, there is an increasing interest in the broader particle and astrophysics community for exploring the physics of light and feebly-interacting particles as a paradigm complementary to a New Physics sector at the TeV scale and beyond. FIPs 2020 has been the first workshop fully dedicated to the physics of feebly-interacting particles and was held virtually from 31 August to 4 September 2020. The workshop has gathered together experts from collider, beam dump, fixed target experiments, as well as from astrophysics, axions/ALPs searches, current/future neutrino experiments, and dark matter direct detection communities to discuss progress in experimental searches and underlying theory models for FIPs physics, and to enhance the cross-fertilisation across different fields. FIPs 2020 has been complemented by the topical workshop “Physics Beyond Colliders meets theory”, held at CERN from 7 June to 9 June 2020. This document presents the summary of the talks presented at the workshops and the outcome of the subsequent discussions held immediately after. It aims to provide a clear picture of this blooming field and proposes a few recommendations for the next round of experimental results.

Abstract Hot viscous plasmas unavoidably emit a gravitational wave background, similar to electromagnetic black body radiation. We study the contribution from hidden particles to the diffuse background emitted by the primordial plasma in the early universe. While this contribution can easily dominate over that from Standard Model particles, we find that both are capped by a generic upper bound that makes them difficult to detect with interferometers in the foreseeable future. We illustrate our results for axion-like particles and heavy neutral leptons. Finally, our results suggest that previous works overestimated the gravitational wave background from particle decays out of thermal equilibrium.