[論文レビュー] Asymmetric Dark Matter and Muon $g-2$ in Extended Exo-Higgs Scenarios

Hooman Davoudiasl, Pier Paolo Giardino+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2016

Computational Physics and Python Applications被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、複素スカラー素粒子χを含む拡張された外部ヒッグス模型を用いて、約1.3 GeVの質量を持つ実現可能な非対称なダークマター（ADM）候補を提案する。このモデルは、新しいベクトル型フェルミオンを介して、~3.5σのミュオン g-2 異常を説明し、TeVスケールの一次相転移から検出可能な重力波を予測する。また、外部レプトンの崩壊によるレプトン対と運動量の欠損を伴う最終状態を通じて、LHCでの信号を予測する。

ABSTRACT

The exo-Higgs model can accommodate a successful baryogenesis mechanism that closely mirrors electroweak baryogenesis in the Standard Model, but avoids its shortcomings. We extend the exo-Higgs model by the addition of a singlet complex scalar $\chi$. In our model, $\chi$ can be a viable asymmetric dark matter (ADM) candidate. We predict the mass of the ADM particle to be $m_\chi\approx1.3\, extrm{GeV}$. The leptophilic couplings of $\chi$ can provide for efficient annihilation of the ADM pairs. We also discuss the LHC signals of our scenario, and in particular the production and decays of exo-leptons which would lead to lepton pair plus missing energy final states. Our model typically predicts potentially detectable gravitational waves originating from the assumed strong first order phase transition at a temperature of $\sim$ TeV. If the model is further extended to include new heavy vector-like fermions, {\it e.g.} from an ultraviolet extension, $\chi$ couplings could explain the $\sim 3.5\sigma $ muon $g-2$ anomaly.

研究の動機と目的

• 標準模型における電弱バリオジェネシスの限界を克服するため、複素スカラー素粒子χを導入した拡張された外部ヒッグス模型を提案する。
• 約1.3 GeVの質量を持つ実現可能な非対称ダークマター候補（χ）を提示し、効率的な対消滅によって正しい残存密度を達成する。
• UV完全なモデル拡張において、新しいベクトル型フェルミオンを導入することで、観測された~3.5σのミュオン g-2 異常を説明する。
• 外部レプトンの生成と、レプトン対および運動量の欠損を伴う崩壊を通じた、LHCでの検出可能なシグネチャを予測する。
• 強力な一次相転移の宇宙論的影響を検討し、~TeVスケールで検出可能な重力波の生成を含む。

提案手法

• レプトンに強く結合する性質を持つ複素スカラー素粒子χを、拡張された外部ヒッグス模型にダークマター候補として導入する。
• 標準模型の欠陥を回避するが、電弱バリオジェネシスに類似したバリオジェネシス機構を実装する。
• スカラーχの結合を介してダークマター粒子対の効率的対消滅を実現し、正しい残存密度を達成する。
• 観測されたミュオン g-2 のずれを生成するために、UV完全な拡張において新しい重いベクトル型フェルミオンを導入する。
• ~TeVの温度における強力な一次電弱相転移から生じる重力波スペクトルを計算する。
• LHCの素粒子物理学的性質を分析し、外部レプトンの生成と、レプトンと運動量の欠損を伴う最終状態への崩壊に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複素スカラー素粒子χを含む外部ヒッグス模型は、約1.3 GeVの質量を持つ実現可能な非対称ダークマター候補を提供できるか？
• RQ2 χのレプトンに強く結合する性質は、観測された残存密度を達成するための効率的対消滅をどのように可能にするか？
• RQ3 新しいベクトル型フェルミオンを導入することで、このモデル内で観測された~3.5σのミュオン g-2 異常をどの程度まで説明できるか？
• RQ4 外部レプトンの生成と、レプトン対および運動量の欠損を伴う崩壊から生じる検出可能なLHCシグネチャは何か？
• RQ5 このモデルは、TeVスケールで検出可能な重力波を生成できる強力な一次相転移を生成できるか？

主な発見

• 非対称ダークマター候補χの予測される質量は約1.3 GeVであり、宇宙論的残存密度制約と整合的である。
• χのレプトンに強く結合する性質により、効率的な対消滅が可能となり、正しいダークマター残存密度が確保される。
• UV拡張において新しいベクトル型フェルミオンを導入することで、観測された~3.5σのミュオン g-2 のずれを説明できる。
• このモデルは、外部レプトンの崩壊がレプトン2個と運動量の欠損を伴う最終状態を生成することで、検出可能なLHCシグネチャを予測する。
• ~TeVの温度における強力な一次相転移は、検出可能な重力波シグネチャをもたらす可能性がある。
• このモデルは、標準電弱バリオジェネシスの欠陥を回避する成功したバリオジェネシス機構を実現する。