[論文レビュー] More stringent constraints on the unitarised fermionic dark matter Higgs portal

S. Balaji, Archil Kobakhidze|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2018

Quantum and Classical Electrodynamics参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、高エネルギーにおける有効場理論でのユニタリティ違反を解消するために、フェルミオン的ヒッグスポータルダークマター模型にK行列ユニタリゼーションを適用する。ユニタリゼーションにより、ヒッグス-ダークマター結合スケールΛの必要値が著しく低減され、CP保存型モデルがスピン非依存散乱断面積の過剰生成のため、現在の直接検出実験によって完全に除外されることを結論づけている。

ABSTRACT

We revisit the simplest model of Higgs portal fermionic dark matter. The dark matter in this scenario is thermally produced in the early universe due to the interactions with the Higgs boson which is described by a non-renormalisable dimension-5 operator. The dark matter-Higgs scattering amplitude grows as $\propto \sqrt{s}$, signalling a breakdown of the effective description of the Higgs-dark matter interactions at large enough (compared to the mass scale $Λ$ of the dimention-5 operator) energies. Therefore, in order to reliably compute Higgs-dark matter scattering cross sections, we employ the K-matrix unitarisation procedure. To account for the desired dark matter abundance, the unitarised theory requires appreaciably smaller $Λ$ than the non-unitarised version, especially for dark matter masses around and below the Higgs resonance, $m_χ\lesssim 65$ GeV, and $m_χ\gtrsim $ few TeV. Consequently, we find that the pure scalar CP-conserving model is fully excluded by current direct dark matter detection experiments.

研究の動機と目的

• 高エネルギーにおけるフェルミオン的ヒッグスポータルダークマターの有効場理論記述における摂動的ユニタリティの破綻を解決すること。
• ナチュラルでないEFTによる過剰な崩壊断面積補正により、熱的に生成されるダークマターの残存密度計算の信頼性を向上させること。
• 切断されたEFTではなくユニタリゼートされた散乱振幅を用いて、フェルミオン的ヒッグスポータルモデルの直接検出制約を再評価すること。
• ユニタリゼーションを適切に適用した場合、CP保存型ヒッグスポータルモデルが最近の直接検出限界の下でも生存可能かどうかを特定すること。

提案手法

• 木レベルの散乱振幅T₀にK行列ユニタリゼーション手順を適用し、ユニタリティが高エネルギーで保たれるようにTᵁ = T₀ / (1 - iT₀) を得る。
• ユニタリゼートされたTᵁを用いて、ダークマターの残存密度計算のための熱平均化された崩壊断面積を計算し、ナチュラルでないEFTによる過剰推定を是正する。
• ユニタリゼートされた振幅を用いて、ヒッグス交換および運動量依存性フォーム因子を組み込んだ、ダークマター-核子のスピン非依存散乱断面積を計算する。
• 13チャンネル基底（hh、VV、トップ/ボトム/タウの最終状態を含む）において、ヒッグスの見えない崩壊およびヒッグス媒介過程のT行列に寄与を組み込む。
• 数値的に、ユニタリゼートされたT行列を用いてS波部分波振幅および断面積を評価し、共鳴および高エネルギー行動を考慮する。
• ユニタリゼートされた結果を非ユニタリゼートなEFT予測と比較し、LUXやXENON1Tなどの実験からの直接検出データと照合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 K行列ユニタリゼーションは、観測されたダークマター残存密度を再現するためのヒッグス-ダークマター結合スケールΛにどのように影響を与えるか？
• RQ2 ユニタリゼーションは、フェルミオン的ヒッグスポータルモデルにおけるスピン非依存ダークマター-核子散乱断面積にどのような影響を与えるか？
• RQ3 ユニタリゼーションを適切に適用した場合、CP保存型フェルミオン的ヒッグスポータルモデルは現在の直接検出制約に耐えられるか？
• RQ4 ユニタリゼートされたEFTと非ユニタリゼートなEFTの間で、熱平均化された崩壊断面積はどのように異なるか？
• RQ5 ユニタリティが保証された場合、高エネルギー散乱過程（例：χχ → hh、VV）が、モデルの物性にどのように寄与するか？

主な発見

• ユニタリゼートされたフェルミオン的ヒッグスポータルモデルは、非ユニタリゼートバージョンと比較して、特にmχ ≲ 65 GeVおよびmχ ≳ 数TeVの場合に、観測されたダークマター残存密度を再現するためのΛ値を著しく小さくする必要がある。
• CP保存型ヒッグスポータルモデルは、ユニタリゼーションを適用した場合、スピン非依存散乱断面積の過剰生成のため、現在の直接検出実験によって完全に除外される。
• ユニタリゼートされた散乱振幅は高エネルギーで√sに比例して増大するが、K行列手順によりユニタリティの破綻が防がれ、高エネルギーでの断面積が安定化される。
• ユニタリゼートフレームワークでは、ナチュラルでないEFTと比較して、熱平均化された崩壊断面積が著しく低減され、より正確な残存密度計算が可能になる。
• ユニタリゼートされたダイナミクスによりヒッグスの見えない崩壊幅が変化するが、主な制約はヒッグスの見えない崩壊ではなく、直接検出に起因する。