[論文レビュー] Catalysis of Electroweak Baryogenesis via Fermionic Higgs Portal Dark Matter

Wei Chao, Michael J. Ramsey-Musolf|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、CP対称性の破れを伴うフェルミオン的ヒッグスポータルなダークマターが、観測されたダークマターの残り滓密度を同時に説明し、電弱スフェラロン遷移を介してバリオン非対称性を生成する統一的な枠組みを提案する。2つのヒッグスダブルレットモデルに則るベクトル型フェルミオンを用いて、ヒッグスポータル相互作用における非ゼロのCP対称性の破れ位相が、成功裏なバリオン生成とダークマターの安定性を両立させつつ、直接検出および電気双極子モーメント（EDM）の制約を回避できることを示している。今後のEDM実験がこの理論の鍵となるテストとなる。

ABSTRACT

We investigate catalysis of electroweak baryogenesis by fermionic Higgs portal dark matter using a two Higgs doublet model augmented by vector-like fermions. The lightest neutral fermion mass eigenstate provides a viable dark matter candidate in the presence of a stabilizing symmetry Z_2 or gauged U(1)_D symmetry. Allowing for a non-vanishing CP-violating phase in the lowest-dimension Higgs portal dark matter interactions allows generation of the observed dark matter relic density while evading direct detection bounds. The same phase provides a source for electroweak baryogenesis. We show that it is possible to obtain the observed abundances of visible and dark matter while satisfying present bounds from electric dipole moment (EDM) searches and direct detection experiments. Improving the present electron (neutron) EDM sensitivity by one (two) orders of magnitude would provide a conclusive test of this scenario.

研究の動機と目的

• CP対称性の破れを伴うフェルミオン的ダークマター模型におけるヒッグスポータル相互作用が、観測されたダークマターの残り滓密度と宇宙のバリオン非対称性の両方を同時に説明できるかを検討すること。
• このような状況が、直接ダークマター検出および電気双極子モーメント（EDM）探索からの制約を満たすことができるかを調査すること。
• 標準模型の最小限の拡張において、ダークマターとバリオン生成の両方が成功裏に実現されるパラメータ空間を特定すること。
• 同じCP対称性の破れ位相が、弱いスフェラロン遷移を介して電弱バリオン生成を促進するメカニズムを示すこと。

提案手法

• モデルは、標準模型ヒッグスダブルレットと混合するベクトル型フェルミオンを有するタイプIの2ヒッグスダブルレットモデルを採用し、ヤコビ相互作用にCP対称性の破れ位相を導入する。
• U(1)DまたはZ2対称性による安定化により、最も軽い中性フェルミオン固有状態が、実現可能なダークマター候補として機能する。
• ヒッグスポータル相互作用におけるCP対称性の破れ位相（βに比例）が、観測された残り滓密度を得るためのダークマターの消失反応と、弱いスフェラロン過程を介したネットバリオン非対称性の生成を両立可能にする。
• バリオン非対称性は、ヒッグスプロファイルと弱いスフェラロン生成率の半解析的解を用いて計算され、左巻き電荷密度がスフェラロン遷移を偏向する。
• 結合定数および質量パラメータのベンチマーク値（kQ3=2kT=2kB=6, kH=4, kψ=2kχ=2, gN=0.35）を用いて数値的シミュレーションが実施された。
• パラメータ空間はy–δ平面で走査され、観測されたダークマター密度とバリオン非対称性を満たす領域が特定された。同時にLUXおよびEDMの制約も適用された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CP対称性の破れを伴うフェルミオン的ヒッグスポータル相互作用が、観測されたダークマターの残り滓密度と宇宙のバリオン非対称性の両方を同時に生成できるか？
• RQ2 ダークマターの残り滓密度生成を可能にする同じCP対称性の破れ位相が、電弱バリオン生成に十分なCP対称性の破れを提供するか？
• RQ3 このモデルが、直接ダークマター検出（LUX）および電気双極子モーメント（EDM）探索からの現在の実験的制約と整合することができるか？
• RQ4 ベクトル型フェルミオン間の質量差とCP対称性の破れ位相が、バリオン生成とダークマター安定性の両方の実現可能性に与える影響は何か？
• RQ5 このモデルを明確にテストするためには、EDM感度をどの程度向上させる必要があるか？

主な発見

• 観測されたダークマターの残り滓密度とバリオン非対称性（YB ≈ 8.59×10−11）の両方が同時に達成される、実現可能なパラメータ空間が同定された。
• ヒッグスポータル相互作用におけるCP対称性の破れ位相（β）が、電弱バリオン生成を可能にするとともに、消失反応における速度抑制のおかげで直接検出制約を回避している。
• LUXによる直接検出制約がCP対称性の破れ位相に下限を設けるが、ダークマターとバリオン生成の両方が観測と整合するパラメータ空間の領域が依然として存在する。
• 電子EDM感度を1桁、もしくは中性子EDM感度を2桁向上させれば、このモデルの明確なテストが可能になる。
• ベクトル型フェルミオン間の質量差が小さくなると、共鳴効果によりバリオン生成の源項が増強されるが、混合の増加に伴いダークマター安定性が損なわれるリスクが高まる。