[論文レビュー] Inert Higgs Dark Matter for CDF-II W-boson Mass and Detection Prospects

Yi-Zhong Fan, Tian-Peng Tang+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、CDF-II Wボソン質量の異常を説明するとともに、妥当なダークマター候補を提供する統一的な枠組みとして、慣性二重ヒッグス・ダブルレット模型（i2HDM）を提案する。$\rm Z_2$奇性スカラー二重項を導入することで、Wボソン質量にループ補正を生じさせ、CDF-IIの測定値と一致するよう増幅される。一方、$\rm Z_2$奇性スカラーのうち最も軽い状態（S）は、熱的WIMPダークマターとして機能する。好ましいダークマター質量は54–74 GeVであり、リリック密度の妥当な領域は三つに分けられる：$SA$共存消失、ヒッグス共鳴、および$SS\to WW^*$消失。これらはすべて、将来の加速器実験および直接検出実験でテスト可能である。

ABSTRACT

The $W$-boson mass, which was recently measured at FermiLab with an unprecedented precision, suggests the presence of new multiplets beyond the Standard Model (SM). One of the minimal extensions of the SM is to introduce an additional scalar doublet, in which the non-SM scalars can enhance $W$-boson mass via the loop corrections. On the other hand, with a proper discrete symmetry, the lightest new scalar in the doublet can be stable and play the role of dark matter particle. We show that the inert two Higgs doublet model can naturally handle the new $W$-boson mass without violating other constraints, and the preferred dark matter mass is between $54$ and $74$ GeV. We identify three feasible parameter regions for the thermal relic density: the $SA$ co-annihilation, the Higgs resonance, and the $SS o WW^*$ annihilation. We find that the first region can be fully tested by the HL-LHC, the second region will be tightly constrained by direct detection experiments, and the third region could yield detectable GeV gamma-ray and antiproton signals in the Galaxy that may have been observed by Fermi-LAT and AMS-02.

研究の動機と目的

• CDF-IIのWボソン質量測定値（$m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV）と標準模型予測値（$m_W = 80.357 \pm 0.006$ GeV）の間の乖離（7σ）を標準模型と整合させるため。
• Wボソン質量の異常を同時に説明し、安定で弱い力で相互作用するダークマター候補を提供する、標準模型の最小限の拡張を同定するため。
• 電弱精度測定とダークマター制約に整合する前提で、慣性二重ヒッグス・ダブルレット模型（i2HDM）における熱的リリック密度の妥当なパラメータ領域を探索するため。
• 将来の加速器探索、直接検出実験、およびGeVガンマ線や反プロトンといった天体的信号を含めた、モデルの検出可能性を評価するため。

提案手法

• 標準模型に第二のスカラー二重項$H_2$を追加し、$\rm Z_2$対称性を導入することで、最も軽い$\rm Z_2$奇性スカラー（SまたはA）が安定し、ダークマターとして機能可能となるようにする。
• スカラー・ポテンシャルには$\mu_2^2$、$\lambda_2$、$\lambda_3$、$\lambda_4$、$\lambda_5$のパラメータが含まれ、$m_h = 125$ GeVおよび$v = 246$ GeVは実験的測定値によって固定される。
• Wボソン質量への補正を定量化するため、歪みパラメータ$\mathcal{S}$、$\mathcal{T}$、$\mathcal{U}$を計算し、$\Delta m_W^2$は論文の式（1）から導出される。
• 熱的リリック密度はボルツマン方程式を用いて計算され、$SA$共存消失、ヒッグス共鳴、$SS\to WW^*$過程による散乱断面積の増幅が考慮される。
• PDG2020および完全な電弱精度テスト（EWPT2022）の尤度、ならびにCDF-IIの$m_W$測定値を含む制約が、妥当なパラメータ空間を制限するために適用される。
• Fermi-LATおよびAMS-02データを用いて、GeVガンマ線や反プロトンフラックスといった天体的信号の検出可能性が評価される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 慣性二重ヒッグス・ダブルレット模型（i2HDM）は、既存の制約に反しない範囲で、CDF-IIのWボソン質量測定値と、妥当な熱的WIMPダークマター候補を同時に説明できるか？
• RQ2 CDF-IIの$m_W$制約下で、観測された熱的リリック密度を再現するための好ましいダークマター質量と消失メカニズムは何か？
• RQ3 歪みパラメータ$\mathcal{S}$、$\mathcal{T}$、$\mathcal{U}$は、i2HDMにおける新しいスカラーの質量スペクトルを、Wボソン質量の異常を再現できるようにどのように制限するか？
• RQ4 $SA$共存消失、ヒッグス共鳴、$SS\to WW^*$の三つの消失チャンネルのうち、どれが最も妥当で、現在および将来の実験でテスト可能か？
• RQ5 CDF-IIデータを統合した完全な電弱精度テスト（EWPT2022）尤度の導入は、i2HDMのパラメータ空間の妥当性と制約にどのように影響するか？

主な発見

• i2HDMは、54–74 GeVの好ましいダークマター質量を伴い、観測された$m_W$の乖離と整合する形で、CDF-IIのWボソン質量異常を自然に説明できる。
• $SA$共存消失領域は、ハイ・リタリティティ・リーダー・ハドロン・コライダー（HL-LHC）で完全にテスト可能であり、特徴的なマルチレプトン＋欠損エネルギーの署名を持つ。
• ヒッグス共鳴領域は、特にスピン非依存散乱断面積が大きいことから、直接検出実験によってきびしく制約を受ける。
• $SS\to WW^*$消失チャンネルは、検出可能なGeVガンマ線および反プロトン信号を生成し、Fermi-LATおよびAMS-02の既存の天体的観測と一致する可能性がある。
• 完全なEWPT2022尤度の導入により、CDF-IIの$m_W$測定値を単独で用いた場合と比較して制約がわずかに緩和されるが、好ましいパラメータ空間は$m_W$異常と整合性を保つ。
• Wボソン質量を再現するためには、$\mathcal{S} \leq 0.025$および$\mathcal{T} \geq 0.07$を満たす必要があり、$\mathcal{U}$は二次的要因となる。$\mathcal{T}$を最大化するため、$H^\pm$を$S$および$A$よりも重くすることが好ましい。