[論文レビュー] A light Scalar Dark Matter for CoGeNT and DAMA in D_6 Flavor Symmetric Model

Yuji Kajiyama, Hiroshi Okada+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 37被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、$D_6$ 対称性を持つ放射型 seesaw モデルにおいて、軽いスカラー暗黒物質候補 ($\varphi$) を提案する。このモデルでは、暗黒物質が $D_6$ 基底スカラー $\rho_S$ の t チャネル交換を通じて核子と相互作用し、スピン非依存断面積が $\sim 7 \times 10^{-41}\ \text{cm}^2$ に達する。このモデルは、$5-10\ \text{GeV}$ の暗黒物質質量のもとで CoGeNT および DAMA の直接検出信号を説明でき、他の中性ヒッグス状態との混合により、標準模型ヒッグス粒子の質量が軽い（$m_h \sim 115-200\ \text{GeV}$）可能性を許容するため、ATLAS/CMS の制約を回避する。

ABSTRACT

We try to interpret a very light dark matter with mass of 5~10 GeV which is in favor of the recent experiments reported by CoGeNT and DAMA, in a non-supersymmetric extension of radiative seesaw model with a family symmetry D_6 x Z_2 x Z_2. We show that a D_6 singlet real scalar field can be a promising dark matter candidate, and it gives the elastic cross section σ\simeq 7x10^{-41} cm^2 which is required by these experiments. Our dark matter interacts with a D_6 singlet scalar Higgs boson, which couples only to quark sector. The dark matter-nucleon cross section and new decay mode h->DM DM can be large if the standard model Higgs boson h is light. The Higgs phenomenology is also discussed.

研究の動機と目的

• CoGeNT および DAMA 実験で観測された軽い暗黒物質信号を、$5-10\ \text{GeV}$ の暗黒物質質量を想定して説明すること。
• $D_6 \times \hat{Z}_2 \times Z_2$ 家族対称性を持つ非超対称放射型 seesaw モデルを構築し、スカラー暗黒物質候補を安定化すること。
• CoGeNT および DAMA が要求する直接検出断面積を、特に標準模型ヒッグスボソン質量に関する LHC の制約と両立させること。
• 標準模型ヒッグスボソンが他の中性ヒッグス状態と混合することにより、$h \to \varphi\varphi$ のような顕在的でない崩壊モードを有することが示されること。

提案手法

• 三つのヒッグスダブルレット（$\phi_{I,S}$）、三つの不活性ダブルレット（$\eta_{I,S}$）、および一つの不活性シングレット（$\varphi$）を含む、$D_6 \times \hat{Z}_2 \times Z_2$ 対称性を持つモデルを導入。$Z_2$ 対称性の保護により $\varphi$ が暗黒物質候補となる。
• 場の $D_6$ および $Z_2$ 量子数を適切に割り当てることで、$\varphi$ の安定性を保ち、クォーク系における木レベルのフレーバー変換中性荷電現在を抑制する。
• $D_6$ シングレットスカラー $\rho_S$ の t チャネル交換を通じてスピン非依存直接検出断面積を導出し、行列要素は $|\mathcal{O}_{31}|^2 \lambda_2 m_q / (M_\varphi m_h^2)$ に比例する。
• ヒッグスポテンシャルと暗黒物質の再結合密度の数値的解析を行い、$M_\varphi \sim 1-20\ \text{GeV}$ の範囲で WMAP の制約と整合的であることを示した。
• ヒッグスの素粒子物理学的性質を評価し、$h \to \varphi\varphi$ の branching ratio を検討。他の中性ヒッグス状態との混合により、標準模型ヒッグス質量が LHC の除外限界以下であってもよいことが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $D_6$ 対称性を持つ放射型 seesaw モデルにおける軽いスカラー暗黒物質候補は、CoGeNT および DAMA の直接検出信号を説明できるか？
• RQ2 $D_6$ シングレットスカラー $\rho_S$ は、スピン非依存の暗黒物質-核子散乱を媒介する役割を果たすか？
• RQ3 このモデルにおいて、標準模型ヒッグスボソンと他の中性ヒッグスボソンとの混合が、LHC におけるヒッグスボソン質量の制約をどのように緩和するか？
• RQ4 顕在的でない崩壊モード $h \to \varphi\varphi$ が全ヒッグス崩壊分岐比に与える寄与は何か？また、ヒッグス素粒子物理学的性質にどのような影響を与えるか？

主な発見

• モデルはスピン非依存直接検出断面積として $\sigma^{(p)}_{SI} \sim 7 \times 10^{-41}\ \text{cm}^2$ を予測し、暗黒物質質量が $5-10\ \text{GeV}$ の場合、CoGeNT および DAMA のデータと整合的である。
• 最小の標準模型ヒッグスボソン質量は $115\ \text{GeV} \leq m_h \leq 200\ \text{GeV}$ の範囲にあり、他の中性ヒッグス状態との混合により LHC の除外限界を回避できる。
• $m_h$ が許容範囲の下限付近にある場合、特に $|\mathcal{O}_{31}|^4 \simeq 0.13$ のとき、$h \to \varphi\varphi$ の顕在的でない崩壊モードの分岐比は第二に大きな寄与を示す。
• 暗黒物質の再結合密度は $M_\varphi \sim 1-20\ \text{GeV}$ の範囲で WMAP 観測と整合的であり、$\Omega h^2$ は $0.09$ から $0.12$ の間にある。
• クォーク系において木レベルのフレーバー変換中性荷電現在が回避されるのは、クォークに結合するのは $\phi_S$ のみであり、他のヒッグス状態がすべて家族対称性の下でシングレットであるためである。