[論文レビュー] Composite Dark Matter and Higgs

T. Ma, Yongcheng Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 60被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、SU(4)×SU(4)/SU(4)モデルにおける合成的でないダークマター（DM）の状況を提案しており、ヒッグス粒子とDM候補が、強いゲージ・フェルミオン系の対称性の自発的破れから生じる擬スネイク・ゴールドストーン粒子（pNGB）として出現する。DM質量の妥当な範囲は500 GeVから数TeVであり、直接検出実験では1 TeVを超える質量が制限され、奇数スピンの合成スカラー粒子のLHC探査可能性も確立されている。

ABSTRACT

We investigate the possibility that Dark Matter arises as a composite state of a fundamental confining dynamics, together with the Higgs boson. We focus on the minimal SU(4)$ imes$SU(4)/SU(4) model which has both a Dark Matter and a Higgs candidates arising as pseudo-Nambu-Goldstone bosons. At the same time, a simple underlying gauge-fermion theory can be defined providing an existence proof of, and useful constraints on, the effective field theory description. We focus on the parameter space where the Dark Matter candidate is mostly a gauge singlet. We present a complete calculation of its relic abundance and find preferred masses between 500 GeV to a few TeV. Direct Dark Matter detection already probes part of the parameter space, ruling out masses above 1 TeV, while Indirect Detection is relevant only if non-thermal production is assumed. The prospects for detection of the odd composite scalars at the LHC are also established.

研究の動機と目的

• SU(4)×SU(4)/SU(4)のグローバル対称性の自発的破れに基づく、最小限の合成ヒッグスおよびダークマター理論を検討すること。
• 有効pNGB記述を両ヒッグスおよびダークマターに対して実現する、UV完全なゲージ・フェルミオン理論を提供すること。
• 特にゲージシングレットが支配的である場合に、ダークマター候補の残存密度を決定すること。
• 直接的および間接的ダークマター検出、および奇数スピンの合成スカラー粒子のLHC探索を通じて、モデルの検出可能性を評価すること。

提案手法

• SU(4)×SU(4)/SU(4)のグローバル対称性の自発的破れに基づく有効場理論を構築し、ヒッグス粒子と中性pNGBを最も軽い状態として特定する。
• SU(4)×SU(4)に従う基本フェルミオンを用いたUV完全なゲージ・フェルミオン理論を定義し、pNGBの動的起源を提供する。
• 初期宇宙における熱的凍結アウトのメカニズムを用いて、ダークマター候補の残存密度を計算する。ただし、シングレット支配を仮定する。
• スピン非依存散乱による核子との散乱から得られる、直接検出制約を評価する。その際のSMフェルミオンとの結合を根拠とする。
• 非熱的DM生成シナリオ下での間接検出信号を評価する。
• SM粒子およびヒッグス粒子への結合を通じて、奇数パリティの合成スカラー粒子のLHC信号を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SU(4)×SU(4)/SU(4)モデルにおいて、ゲージシングレットが支配的である合成的ダークマター候補の妥当な質量範囲は何か？
• RQ2 ダークマター候補の残存密度は、その質量および混合パラメータにどのように依存するか？
• RQ3 現在の直接検出実験は、この合成的ダークマター状況に対してどの程度感度を持つのか？
• RQ4 LHCにおける奇数パリティの合成スカラー粒子の発見可能性はどの程度か？
• RQ5 どのような条件下で間接検出がモデルに対する補足的制約を提供できるか？

主な発見

• 合成的ダークマター候補は、500 GeVから数TeVの範囲に好ましい質量帯を持ち、熱的凍結アウトとシングレット支配と整合的である。
• 直接検出実験は、1 TeVを超えるダークマター質量をすでに除外しており、パrameter空間に対する強い制約を与えている。
• 非熱的DM生成がなければ、間接検出は意味を持たない。なぜなら、ほとんどのパrameter空間で熱的生成は過剰な閉じ込めを引き起こすからである。
• モデルは、ヒッグス粒子およびSMゲージボソンへの結合を通じて、LHCで観測可能な信号を予測している。特に注目すべきは、奇数スピンの合成スカラー粒子の信号である。
• ヒッグス粒子とダークマターの両方が、同じ強いダイナミクスから生じる擬スネイク・ゴールドストーン粒子であり、グローバル対称性によって質量が保護されている。
• UV完全なゲージ・フェルミオン理論は、有効理論の具体的実装を提供し、pNGB成分を基礎的なフェルミオン凝縮と結びつける。