[論文レビュー] Dark matter, dark radiation and Higgs phenomenology in the hidden sector DM models

Pyungwon Ko|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、局所的ダークゲージ対称性を有する隠れたセクターのダークマター模型を提案し、破れずに保たれるゲージ不変性または位相的性質によってダークマターを安定化させる。同時に、軽いメディエーターとしてダークヒッグスおよびダークゲージボソンを導入する。このモデルは、銀河中心のGeV帯γ線過剰を説明でき、自己相互作用を有するダークマターを実現し、ヒッグスインフレーションにおけるテンソル対スカラー比をr ≈ 0.084に増幅させる。これは標準模型パラメータに依存しない。

ABSTRACT

I present a class of hidden sector dark matter (DM) models with local dark gauge symmetries, where DM is stable due to unbroken local dark gauge symmetry, or due topology, or it is long-lived because of some accidental symme- tries, and the particle contents and their dynamics are completely fixed by local gauge symmetries. In these models, one have two types of natural force mediators, dark gauge bosons and dark Higgs boson, which would affect DM and Higgs phenomenology in important ways. I discuss various phenomenological issues including the GeV scale gamma-ray excess from the galactic center (GC), (in)direct detection signatures, dark radiation, Higgs phenomenology and Higgs inflation assisted by dark Higgs.

研究の動機と目的

• 絶対的または長寿命の安定性を保証する、局所的ダークゲージ対称性を有するUV完全なダークマター模型を構築すること。
• 軽いダークゲージボソンとダークヒッグスボソンをメディエーターとして用い、銀河中心のGeV帯γ線過剰を説明すること。
• 軽いダークゲージボソンが媒介する自己相互作用を用いて、CDMパラダイムにおけるコア・カスプ問題、欠落した衛星問題、および「大きすぎるが崩壊しない」衛星問題を解決すること。
• ダークヒッグスポータル相互作用がヒッグスインフレーションに与える影響を調査し、トップクォークおよびヒッグス粒子質量に依存しない形で、より大きなテンソル対スカラー比をもたらすかを検討すること。
• LHCおよびPlanckデータと整合する、ヒッグス臨床的性質、真空安定性、ダーク放射能に関する観測可能なシグネチャを予測すること。

提案手法

• 単位スカラー（ダークヒッグス）と局所的ダークゲージ対称性を有する、ローレンツ不変なUV完全モデルを構築し、ゲージ不変性による安定性を保証する。
• 標準模型ヒッグスとダークヒッグスの間のヒッグスポータル相互作用を導入し、混合と125 GeVヒッグスボソンの新たな崩壊チャネルを可能にする。
• 曲がった時空におけるユニタリゲージを用いて、ダークヒッグスポータルを含むヒッグスインフレーションの有効作用を導出し、スローロールパラメータとインフレーション観測量を計算する。
• 直接的および間接的検出断面積を計算し、混合ヒッグス状態間の破壊的干渉が直接検出信号を抑制することを示す。
• 質量ゼロのダークゲージボソンと軽いダークフェルミオンが寄与するダーク放射能を評価し、Planck制約と比較する。
• ダークヒッグスを用いて電弱セクターの真空安定性を評価し、プランクスケールまで安定化させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 隠れたセクターにおける局所的ダークゲージ対称性は、恣意的なグローバル対称性を避ける根本的なダークマター安定化機構を提供できるか？
• RQ2 軽いダークゲージボソンとダークヒッグスボソンは、銀河中心から観測されたGeVスケールのγ線過剰をどのように説明できるか？
• RQ3 軽いダークゲージボソンが媒介する自己相互作用を有するダークマターは、CDMパラダイムにおけるコア・カスプ問題、欠落した衛星問題、および「大きすぎるが崩壊しない」衛星問題を解決できるか？
• RQ4 ダークセクターへのヒッグスポータルが、ヒッグスインフレーションにおけるテンソル対スカラー比に与える影響は何か？また、これは標準模型パラメータに依存せずr ≈ 0.084に達するか？
• RQ5 ダークヒッグスポータル相互作用は、ヒッグス信号強度、真空安定性、およびダーク放射能にどのように影響を与え、現在のLHCおよびPlanckデータと整合するか？

主な発見

• モデルは、破れずに保たれる局所的ダークゲージ対称性または位相的保護によってダークマターの安定性を達成し、恣意的な対称性を有するEFT手法のUV完全な代替手段を提供する。
• 銀河中心のGeV帯γ線過剰は、ダークゲージボソンの対生成と崩壊によって説明可能であり、Nₑ = 56およびξ = 12.8294のベンチマーク条件下でr = 0.0840の予測が得られる。
• 標準模型ヒッグスとダークヒッグスの寄与の間で破壊的干渉が生じ、直接検出断面積が抑制され、XENON100およびLUXの制約を回避できる。
• ダークヒッグスポータルにより、追加の新しい物理が不要な状態で電弱真空がプランクスケールまで安定化され、モデルの妥当性が向上する。
• ダークヒッグスとの混合により、すべての生成および崩壊チャネルにおけるヒッグス信号強度が普遍的に抑制される。
• 質量ゼロのダークゲージボソンと軽いダークフェルミオンによるダーク放射能寄与は小さく、プランクデータと整合的であり、パラメータ空間の範囲内でΔNₑff ≲ 0.1である。