[論文レビュー] Direct detection of pseudo-Nambu-Goldstone dark matter in a two Higgs doublet plus singlet extension of the SM

Thomas Biekötter, Pedro Gabriel+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、複素スカラー単粒子を含む2つのヘッジ・ダブルレット・モデル（S2HDM）におけるダークマター-核子散乱に対する1ループ電弱補正を計算している。ここでダークマターは擬スカラーノン・ゴールドストーン粒子（pseudo-Nambu-Goldstone boson）である。U(1)対称性のおかげで樹形階の断面積がゼロとなるにもかかわらず、ループ補正により非ゼロの散乱断面積が生成され、将来の直接検出実験（例：Darwin）により、特にスカラーヒッグス粒子の質量とU(1)対称性の破れによる真空期待値が同等である場合、有効なパラメータ空間の大部分を探索可能となることが示唆される。

ABSTRACT

We calculate the leading radiative corrections to the dark-matter-nucleon scattering in the pseudo-Nambu-Goldstone dark matter model augmented with a second Higgs doublet (S2HDM). In this model, the cross sections for the scattering of the dark-matter on nuclei vanishes at tree-level in the limit of zero momentum-transfer due to a U(1) symmetry. However, this symmetry is softly broken in order to give a mass to the dark-matter particle. As a consequence, non-vanishing scattering cross sections arise at the loop level. We find that the current cross-section limits from dark-matter direct-detection experiments can hardly constrain the parameter space of the S2HDM. However, the loop-corrected predictions for the scattering cross sections can be well within the reach of future direct-detection experiments. As a consequence, future phenomenological analyses of the S2HDM should take into account cross-section predictions beyond tree-level and the experimental constraints from dark-matter direct-detection experiments.

研究の動機と目的

• 2HDMに複素スカラーダブルトンを追加したモデルにおけるダークマター-核子散乱に対する主要な放射補正を調査すること。
• S2HDMにおける擬スカラーノン・ゴールドストーン粒子を伴うダークマターのパラメータ空間が、現在または将来の直接検出実験によって制約可能かどうかを評価すること。
• U(1)対称性による樹形階の抑制にもかかわらず、ループ補正が非ゼロの散乱断面積を生成するメカニズムを特定すること。
• 異なるモデルタイプ（I, II, LS, F）におけるクォーク種別およびヤコビ型構造に応じた散乱振幅の依存性を調査すること。

提案手法

• 標準模型に2つのヘッジ・ダブルレットと複素スカラーダブルトンを追加し、大域的U(1)対称性を弱く破壊することでダークマター粒子に質量を与える。
• ダークマター候補はスカラーダブルトンの虚部から生じるが、実部は真空期待値を獲得し、CP不変のヒッグス状態と混合する。
• U(1)対称性のため、零運動量転送極限において樹形階の散乱振幅はゼロとなるが、1ループ電弱補正により非ゼロの断面積が生成される。
• 有効ラグランジュアンの手法を用いて1ループ補正を計算し、振幅はtチャネルにおけるヒッグス交換から導出される。
• 理論的制約（真空安定性、摂動性）および実験的制約（ヒッグス系、ダークマターの残存密度）の下で、パラメータ全般のスキャンを実施する。
• 得られた結果を、現在の（XENON1T, PandaX-4T, LZ）および将来の（Darwin）直接検出感度と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 S2HDMにおいて、樹形階の抑制があるにもかかわらず、1ループ電弱補正が観測可能なダークマター-核子散乱断面積を生成できるか？
• RQ2 S2HDMのどのパラメータ空間領域が、現在および将来の直接検出実験によって探索可能か？
• RQ3 S2HDMにおける散乱振幅は、ヤコビ型（I, II, LS, F）およびクォークフレーバーにどのように依存するか？
• RQ4 ループ誘導断面積の大きさを決定づける比率mhS/vSの役割は何か？
• RQ5 観測されたダークマターの残存密度と整合するパラメータ点のうち、将来の実験で到達可能なものは存在するか？

主な発見

• XENON1T, PandaX-4T, LZといった現在の直接検出実験では、観測されたダークマターの残存密度と整合するS2HDMの有効なパラメータ点をどれも探索できない。
• 将来の実験（例：Darwin）では、ダークマター-核子散乱断面積がループ誘導であるパラメータ空間の顕著な割合を探索可能と予想される。
• mhS/vSの比が強く非対称でない場合、ループ補正による断面積は検出可能になるほど大きくなる可能性がある。ここでmhSはスカラーダブルトン成分が最大のヒッグス粒子の質量、vSはU(1)対称性の破れによる真空期待値である。
• 異なるヤコビカップリング構造（I, II, LS, F）によりクォーク種別に依存する散乱振幅が生じるため、異なる核種での散乱を用いることでモデルの区別が可能になる可能性がある。
• タイプIとタイプIIのモデル間で、最大の達成可能な散乱断面積や探索可能なパラメータ空間に顕著な差は認められない。
• 振幅がt→0極限でゼロとなること、および補正項に補正項（counterterm）の必要がないことといった一貫性の確認を通じて、樹形階散乱の不在と非ゼロのループ補正の存在が裏付けられた。