[論文レビュー] Hiding Scalar Higgs Portal Dark Matter

Wei Chao|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、複素スカラーシングレット $S = (s + ia)/\sqrt{2}$ を持つヒッグスポータルなダークマター模型を提案する。ここで、CP奇性成分 $a$ がダークマター候補であり、隠れた $Z_2$ 対称性によって安定化される。CP偶性成分 $s$ は三重項結合を通じて標準模型ヒッグスと混合するが、真空期待値をとらないため、木レベルの直接検出が抑制される。モデルは四重項結合のみで正しい再結合密度を達成し、直接検出断面積がLUX限界より $2\sim5$ 乗小さいため、直接検出信号がないにもかかわらず実現可能である。

ABSTRACT

We investigate a Higgs portal dark matter model by extending the Standard model (SM) with a complex singlet, $S=(s+ia )/\sqrt{2}$, where $a $ is a dark matter candidate and $S$ gets no vacuum expectation value but $s$ mixies with the SM Higgs via a trilinear interaction. We point out an interesting scenario, where only quartic coupling contributes to the dark matter relic abundance and there is no tree level contribution to the direct detection. Numerical analysis shows that the direction detection cross section, which arises at the one-loop level, is about $2\sim 5$ orders below the current LUX bound. Constraints from Higgs measurements as well as collider signatures of the model at the LHC are studied.

研究の動機と目的

• ヒッグスポータル模型における正しいダークマター再結合密度と厳密な直接検出制約の間の矛盾を解消すること。
• 真空ずれと対称性保護によって木レベルの直接検出が禁止されるメカニズムを提案すること。
• 再結合密度が四重項結合のみで生成されることを示し、木レベルの核子散乱を回避すること。
• 特にモノヒッグスチャンネルにおけるLHCでのコライダー署名を探索すること。

提案手法

• 複素スカラー・シングレット $S = (s + ia)/\sqrt{2}$ を標準模型に追加し、$a$ が隠れた $U(1)$ 対称性によって安定化されるダークマター候補であると仮定する。
• 三重項結合 $\alpha S H^\dagger H$ を導入し、CP偶性成分 $s$ と標準模型ヒッグスを混合させるが、$S$ に真空期待値を与えない。
• 部分的に破れた $Z_2$ 対称性を持つポテンシャルを用い、CP奇性スカラー $a$ に対しては $Z_2$ を保存するが、$s$ に対しては明示的に破れるようにし、質量分裂を生じさせる。
• ATLASおよびCMSデータへのユニバーサル・ヒッグスフィットを実施し、混合角 $\theta$ を制約し、$|\theta| < 0.526$ を要求する。
• 再結合密度を四重項結合 $\lambda_s$ のみで計算し、直接検出断面積を1ループレベルで評価する。
• 特に $pp \to 2a + h$ のLHCコライダー署名をシミュレートし、モノヒッグスチャンネルでの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 木レベルの直接検出が禁止される条件下で、ヒッグスポータルなダークマター模型が正しい再結合密度を達成できるか？
• RQ2 標準模型ヒッグスとCP偶性スカラー・シングレットの間の三重項混合項が直接検出制約に与える影響は何か？
• RQ3 このようなモデルにおける直接検出断面積はどの程度小さくなるか？現在のLUX限界を回避できるか？
• RQ4 特にモノヒッグスチャンネルにおいて、このモデルのLHCでの実現可能なコライダー署名は何か？
• RQ5 このモデルはヒッグス精度測定および見えないヒッグス崩壊によって制約を受けるか？

主な発見

• 直接検出断面積は現在のLUX限界より $2\sim5$ 乗小さいため、直接検出実験に対して実質的に見えない。
• 再結合密度は四重項結合 $\lambda_s$ のみで成功裏に生成され、核子への木レベル散乱は一切ない。
• ヒッグス測定からの制約を満たしており、ATLASおよびCMSデータへのグローバルフィットから混合角は $|\theta| < 0.526$ に制約される。
• LHCの $√{s} = 13~{\rm TeV}$ における $pp \to 2a + h$ の生成断面積は、ダークマター質量が $100~{\rm GeV}$ の場合、約 $10~{\rm fb}$ である。
• 複素シングレットに真空期待値がないことと、CP奇性成分が隠れた $Z_2$ 対称性によって保護されることにより、木レベルの直接検出を回避する。
• 直接検出信号がないにもかかわらず、モデルは実現可能であり、LHCのモノヒッグスチャンネルで発見が可能である可能性を有する。