[論文レビュー] Can Radiative Symmetry Breaking Generate Viable Dark Matter Mass and Abundance in a Scalar Singlet Higgs Portal Extension of the Standard Model

T. G. Steele, Zhi-Wei Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2013

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、標準模型のスカラーダウングルーブ・ヒッグス・ポータル拡張における放射的電弱対称性破れメカニズムを提案する。このモデルでは、ヒッグス粒子およびシングレットスカラーの質量が動的に生成される。1ループレベルにおいて、$M_s \gtrsim 106$ GeV の場合、観測された宇宙論的ダークマター密度を満たすとともに、次世代のXENON実験で検出可能である10%〜100%のダークマター密度が得られる。

ABSTRACT

We consider generation of dark matter mass via radiative electroweak symmetry breaking in an extension of the conformal Standard Model containing a singlet scalar field with a Higgs portal interaction. Generating the mass from a sequential process of radiative electroweak symmetry breaking followed by a conventional Higgs mechanism can account for less than 35% of the cosmological dark matter abundance for dark matter mass $M_s>80 GeV$. However in a dynamical approach where both Higgs and scalar singlet masses are generated via radiative electroweak symmetry breaking we obtain much higher levels of dark matter abundance. At one-loop level we find abundances of 10%--100% with $106 GeV 80 GeV$ detection region of the next generation XENON experiment.

研究の動機と目的

• 放射的電弱対称性破れが、スカラーダウングルーブを伴う conformal 標準模型拡張において、妥当なダークマター質量および密度を生成できるかどうかを調査すること。
• ヒッグスおよびシングレットスカラー場の両方の質量が動的生成されるメカニズムが、十分なダークマター残響密度を生じるかどうかを特定すること。
• 特にXENONを含む次世代直接検出実験において、このようなダークマターが検出可能かどうかを評価すること。

提案手法

• ヒッグス粒子に結合するシングレットスカラー場を有する、 conformal 標準模型のスカラーダウングルーブ・ヒッグス・ポータル拡張を構築する。
• 1ループ放射的電弱対称性破れを適用し、ヒッグスおよびシングレットスカラーの両方の質量を動的に生成する。
• 得られたスカラーポテンシャルを用いて、凍結生成計算によりダークマター残響密度を計算する。
• ダークマター質量 $M_s > 80$ GeV のパラメータ空間を評価し、予測された密度を観測された宇宙論的ダークマター密度と比較する。
• 次世代XENON実験による、$M_s \gtrsim 106$ GeV 範囲のダークマター検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラーダウングルーブ・ヒッグス・ポータルモデルにおける放射的電弱対称性破れは、観測された宇宙論的密度と整合するダークマター残響密度を生成できるか？
• RQ2 このモデルにおける1ループ放射的質量生成によって達成可能な最大のダークマター密度はどの程度か？
• RQ3 ダークマター質量 $M_s$ が、放射的対称性破れの下での予測された残響密度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 本モデルで予測されるダークマターは、次世代XENON実験で検出可能か？
• RQ5 ヒッグスおよびシングレットスカラー両方の質量が動的生成される場合、従来のヒッグスメカニズムのシナリオと比較して、ダークマター密度が顕著に増加するか？

主な発見

• 放射的電弱対称性破れの下では、$M_s \gtrsim 106$ GeV の場合、観測された宇宙論的ダークマター密度を満たす10%〜100%のダークマター密度が達成される。
• このモデルでは、ヒッグスおよびシングレットスカラー両方の質量が放射的対称性破れによって生成される場合にのみ、妥当なダークマター密度が得られる。ヒッグス質量のみが放射的に生成される場合では成立しない。
• $M_s > 80$ GeV の範囲では、従来のヒッグスメカニズムに基づく質量生成では、観測されたダークマター密度の35%未満にとどまる。
• 予測されたダークマター質量範囲 $M_s \gtrsim 106$ GeV は、次世代XENON実験の感度領域に位置する。
• 1ループ放射的メカニズムは、木レベルまたは従来のヒッグス駆動型シナリオと比較して、ダークマター密度を顕著に増加させる。