[論文レビュー] Integrating in the Higgs Portal to Fermion Dark Matter

A. Freitas, Susanne Westhoff+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、ヒッグスポータルを介して標準模型と結合するフェルミオン型ダークマター（DM）を検討し、有効場理論ではなく、ローレンツ不変な中間子を用いたUV完全なモデルに焦点を当てる。LHCが14 TeVで高流量運転を行う場合、200 GeV未満のDM質量を探索可能であるが、より重いDMについては、特に直接検出実験と併用した場合、将来の加速器（例：100 TeVのpp衝突型加速器）が不可欠であることが示された。

ABSTRACT

Fermion dark matter (DM) interacting with the standard model through a Higgs portal requires non-renormalizable operators, signaling the presence of new mediator states at the electroweak scale. Collider signatures that involve the mediators are a powerful tool to experimentally probe the Higgs portal interactions, providing complementary information to strong constraints set by direct DM detection searches. Indirect detection experiments are less sensitive to this scenario. We investigate the collider reach for the mediators using three minimal renormalizable models as examples, and requiring the fermion DM to be a thermal relic. The Large Hadron Collider in its high-energy, high-luminosity phase can probe most scenarios if DM is lighter than about 200 GeV. Beyond this scale, future high-energy experiments such as an electron-positron collider or a 100-TeV proton-proton collider, combined with future direct detection experiments, are indispensable to conclusively test these models.

研究の動機と目的

• 標準模型との相互作用がヒッグスポータルを通じて行われるフェルミオン型ダークマターのモデルを研究すること。非ローレンツ不変な結合のため、新たな中間子が必要となる。
• 特にシングレット-シングレット、シングレット-ダブルレット、ダブルレット-トリプレットモデルといったUV完全なモデルが、熱的凍結アウト機構を通じて観測されたリリック密度を再現できるかを調査すること。
• これらのモデルにおける中間子のコライダーでの探査可能性を評価すること。特にLHCと将来の高エネルギー加速器を対象とする。
• 直接検出、間接検出、ヒッグス崩壊の非可視分岐比からの制約を評価し、有効場理論の記述が破綻する条件を特定すること。
• 将来のコライダーおよび直接検出実験が、ヒッグスポータル相互作用を有するフェルミオン型ダークマターの全パラメータ空間を探索可能かどうかを決定すること。

提案手法

• フェルミオン型ダークマターのヒッグスポータルの最小限のローレンツ不変なUV完全化として、シングレット-シングレット、シングレット-ダブルレット、ダブルレット-トリプレットモデルを構築する。
• 各モデルにおいて、熱的凍結アウト機構を通じてリリック密度を計算し、観測されたダークマター密度と整合する必要がある。
• 有効オペレーターとループ誘導型ヒッグス結合を用いて直接検出率を評価する。特にメジャナ型ダークマターを有するダブルレット-トリプレットモデルを重点的に検討する。
• 電荷を有するおよび中性のゲージボソンとダークフェルミオンを含む1ループ図を用いて、ループ誘導型ヒッグス結合の解析的表現を導出する。
• ヒッグスの非可視崩壊分岐比および直接検出実験からの制約を、中間子の質量と結合定数に適用する。
• LHC（14 TeV、3000 fb⁻¹）、将来のe⁺e⁻衝突型加速器（1 TeV）、および100 TeVのpp衝突型加速器における中間子状態のコライダー感度を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグスポータル相互作用を有するフェルミオン型ダークマターは、有効場理論ではなく、ローレンツ不変なUV完全なモデルとして一貫して実現可能か？
• RQ2 これらのモデルにおける中間子状態のコライダー探査範囲は何か？また、ダークマター質量に依存するか？
• RQ3 直接検出、間接検出、ヒッグスの非可視崩壊からの制約は、これらのモデルの妥当なパラメータ空間をどのように制限するか？
• RQ4 リリック密度およびコライダーの素粒子物理学的現象論において、有効場理論の記述が破綻する条件は何か？
• RQ5 フェルミオン型ダークマターにヒッグスポータル相互作用を有する全パラメータ空間を探索するためには、どのような将来のコライダーおよび直接検出実験が必要か？

主な発見

• 式 (1) に示される有効場理論の記述は、中間子とダークマターの質量が同程度の大きさである場合、リリック密度およびコライダーの素粒子物理学的現象論において破綻する。この場合、ダークセクターの完全な動的記述が不可欠となる。
• LHCの高流量運転段階（14 TeV、3000 fb⁻¹）は、200 GeV未満のダークマター質量を有するほとんどの状況を探索可能である。
• 200 GeVを超えるダークマターについては、100 TeVのpp衝突型加速器や1 TeVのe⁺e⁻衝突型加速器といった将来の高エネルギー加速器が、中間子セクターを探索するために不可欠である。
• 直接検出実験は、特にループ誘導型ヒッグス結合を有するモデル（例：ダブルレット-トリプレットモデル）において、パラメータ空間に対して感受性を示し続ける。
• ヒッグスの非可視崩壊からの制約は比較的弱いが、直接検出およびコライダー探索からの制約は、特に併用した場合に強く、より強い制限を与える。
• ダブルレット-トリプレットモデルでは、主要な直接検出信号が、メジャナ型ダークマターへのループ誘導型ヒッグス結合に起因する。1ループ補正によるヒッグス-ダークマター頂点の解析的表現が導出された。