[論文レビュー] Inert Doublet Model with a 125 GeV Higgs

Maria Krawczyk, Dorota Sokołowska+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、125 GeVのヒッグス bosonと安定な中性スカラー暗黒物質候補を兼ね備える標準模型の有効な拡張としてのインertダブルレットモデル（IDM）を検討する。ヒッグス粒子の二光子崩壊断面積の増幅が可能となるのは、見えない崩壊が運動的に閉じられている場合に限られ、暗黒物質および荷電スカラーの質量が154 GeV未塔である必要がある。また、XENON-100の制約と正しいリリック密度を満たすとともに、強い一次相転移を示すパラメータ領域を同定する。

ABSTRACT

A 125 GeV Higgs-like particle discovered at the LHC in 2012 has properties expected for it in the Standard Model (SM), with a possible enhancement in the two-photon channel. Such SM-like Higgs scenario can be realized within the Inert Doublet Model (IDM) - a version of the Two Higgs Doublet Model with an exact discrete D (Z_2-type) symmetry. In this model one SU(2) doublet plays the role of the SM Higgs doublet with one SM-like Higgs boson. The second doublet has no vacuum expectation value and does not interact with fermions. Among four scalars constituting this D-odd doublet the lightest one is stable, being if neutral a good DM candidate with the right relic density. In this paper an analysis of the two-photon Higgs decay rate in IDM, respecting theoretical and other experimental constraints, is presented. The enhancement in the two-photon channel is possible only if invisible channels are closed, with the enhancement R_{γγ}>1.2 for masses of DM and charged scalars below 154 GeV. The temperature evolution of the Universe to the Inert phase (described by the IDM) in T^2 approximation is presented and all possible sequences of phase transitions in one, two and three steps are analyzed. Going beyond this approximation by using an effective potential approach with one-loop T=0 Weinberg-Coleman term and temperature dependent effective potential at T ot =0 we address the question, whether the strong first-order phase transition needed for baryogenesis can be realized in IDM. A region with a good DM relic density and a strong first-order phase transition is established, and discussed in the light of the XENON-100 data.

研究の動機と目的

• 大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で発見された125 GeVのヒッグス粒子の実現としてのインチェントダブルレットモデル（IDM）の検討。
• 理論的および実験的制約の下で、IDMにおけるヒッグス粒子の二光子崩壊（h→γγ）断面積の増幅可能性の分析。
• 電弱ビアジェネシスに不可欠な強い一次電弱相転移をIDMが支持できるか、かつ正しい暗黒物質リリック密度を維持できるかの特定。
• 特にh-HH結合定数の制約を含めたXENON-100直接検出データとIDMの整合性の評価。

提案手法

• D対称性を持つ二ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）を用い、Z₂型の離散的対称性を導入することで、インチェントダブルレットが真空期待値を取らず、最も軽いスカラーが安定することを保証する。
• T²近似を超えて、有効ポテンシャルのアプローチを用い、一ループの有限温度補正（Coleman-Weinberg項）およびリング図からの温度依存寄与を組み込む。
• （μ₁, μ₂）パラメータ平面における相転移の系列を分析し、1段階、2段階、3段階の転移領域を特定し、特に標準模型に類似した相からインチェント相への転移に注目する。
• 数値的に暗黒物質候補のリリック密度を計算し、観測された宇宙論的値と一致することを確認する。
• 荷電スカラーおよび中性スカラーを含むループ補正を用いてヒッグス粒子の二光子崩壊断面積を評価し、LHCおよびXENON-100からの制約を適用する。
• 電弱相転移の強さは、条件 v(T_EW)/T_EW > 1 を用いて定量化され、強い一次相転移を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インチェントダブルレットモデル（IDM）は、LHCデータと整合する125 GeVのヒッグス粒子と、増幅した二光子崩壊断面積を説明できるか？
• RQ2 IDMがビアジェネシスに不可欠な強い一次電弱相転移を支持する条件は何か？
• RQ3 IDMのどのパラメータ領域で、XENON-100実験の制約を満たしつつ正しい暗黒物質リリック密度が得られるか？
• RQ4 T²近似を超えた初期宇宙における相転移の歴史は、IDMでどのように進行するか？
• RQ5 h-HH結合定数（λ₃₄₅）は、増幅したh→γγ崩壊を媒介する役割を果たし、暗黒物質質量および直接検出限界とどのように相互作用するか？

主な発見

• 見えない崩壊が運動的に閉じられている場合に限り、ヒッグスの二光子崩壊断面積の増幅（Rγγ > 1.2）が可能であり、その条件として暗黒物質および荷電スカラーの質量が154 GeV未塔である必要がある。
• 正しい暗黒物質リリック密度が達成され、かつ電弱相転移が強く（v(T_EW)/T_EW > 1）電弱ビアジェネシスを可能にするパラメータ領域がIDMのパラメータ空間に存在する。
• 65 GeVの暗黒物質質量を仮定すると、より重い暗黒スカラー（AおよびH±）の許容される質量範囲は、275〜380 GeVの間である（縮退を仮定）。
• XENON-100直接検出データと整合するためには、λ₃₄₅が0.1未塔である必要がある。特に65 GeVの暗黒物質候補に対して有効である。
• 許容パラメータ領域では、標準模型に類似した相からインチェント相への単一の段階的相転移が進行し、多段階相転移は除外される。
• このモデルは、内在的なCP対称性の破れがなくても、観測されたヒッグス粒子の性質と暗黒物質の豊度と整合する強い一次相転移を支持する。