[論文レビュー] Quantum corrections to the spin-independent cross section of the inert doublet dark matter

Tomohiro Abe, Ryosuke Sato|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、インert doublet modelにおけるスピン非依存的ダークマター-核子散乱断面積の量子補正を計算し、ダークマター質量がヒッグス粒子質量の半分に近い領域に注目している。ヒッグスカップリングがリリック密度の理由で抑制されている場合、電弱およびスカラー四次相互作用（特にダークマター自身の自己結合を含む）によるループレベルの寄与が、木レベルのヒッグス媒介過程を上回り、直接検出信号を顕著に変化させることを発見した。

ABSTRACT

The inert Higgs doublet model contains a stable neutral boson as a candidate of dark matter. We calculate cross section for spin-independent scattering of the dark matter on nucleon. We take into account electroweak and scalar quartic interactions, and evaluate effects of scattering with quarks at one-loop level and with gluon at two-loop level. These contributions give an important effect for the dark matter mass to be around m_h/2, because a coupling with the standard model Higgs boson which gives the leading order contribution should be suppressed to reproduce the correct amount of the thermal relic abundance in this mass region. In particular, we show that the dark matter self coupling changes the value of the spin-independent cross section significantly.

研究の動機と目的

• ダークマター質量が m_h/2 に近い場合に、正確なリリック密度を得るためのヒッグスカップリングの抑制が必要となるため、インエルトダブルレットダークマターのスピン非依存的直接検出断面積を再評価すること。
• ヒッグスカップリングが小さい場合に顕著になる、1ループの電弱補正および2ループのグルーオン散乱寄与の影響を調査すること。
• 従来の研究で無視されていた、特にダークマター自己結合 λ₂ を含むスカラー四次カップリングの役割を評価すること。
• クォークおよびグルーオンの散乱振幅を、ダークマターと他の Z₂ 奇性粒子の質量差が非ゼロである場合を含めて、完全な1ループ計算により提供すること。
• インエルトダブルレット系における LEP II の制約とループ補正の相乗効果を定量化すること。

提案手法

• クォークおよび Z/W ボソンを含む1ループ図を用いて、核子へのスピン非依存散乱振幅を計算し、Passarino-Veltman の還元手法を適用した。
• ヒッグス交換を介した2ループのダークマター-グルーオン散乱寄与を評価し、1ループのクォーク寄与と同程度のオーダーであることを示した。
• 非ゼロのスカラー四次カップリング（λ₂ を含む）および Z₂ 奇性粒子間の質量スプリットを組み込み、ループ積分に影響を与えた。
• 振幅を表すために、ループ関数 B₀, C₀, D₀ 及びそれらの微分を用い、LoopTools を用いたオンシェル条件の処理に注意深く解析的続行を適用した。
• 有効場理論のアプローチを保証するため、正規化群方程式およびマッチング条件を適用した。
• 特に m_A ≈ m_h/2 の領域に注目し、有効なパラメータ空間全域で全振幅の数値的評価を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リリック密度制約によりヒッグスカップリングが抑制されている場合、1ループの電弱補正がスピン非依存的直接検出断面積にどのように影響を与えるか？
• RQ2 m_A ≈ m_h/2 の領域において、ダークマター自己結合 λ₂ が散乱断面積に与える定量的影響は何か？
• RQ3 2ループのグルーオン散乱寄与は、1ループのクォーク散乱寄与と比較してどの程度の大きさか？
• RQ4 非ゼロのスカラー四次カップリングおよび Z₂ 奇性粒子間の質量スプリットは、直接検出信号をどの程度変化させるか？
• RQ5 有効ヒッグス-ダークマターカップリングが小さい場合、ループ補正が木レベルのヒッグス交換を上回ることがあるか？

主な発見

• m_A ≈ m_h/2 のとき、リリック密度制約により木レベルのヒッグス媒介散乱が抑制され、ループ補正が支配的になる。
• 1ループの電弱補正は、ヒッグスカップリングが小さい場合に特に顕著な寄与を示す。
• ダークマター自己結合 λ₂ は、スピン非依存断面積に顕著な補正を引き起こし、一部の領域では最大で1桁の変化をもたらす。
• 2ループのグルーオン散乱寄与は、1ループのクォーク散乱寄与と同程度のオーダーであり、振幅において無視できない。
• 非ゼロのスカラー四次カップリングおよび Z₂ 奇性粒子間の質量スプリットは、正確な振幅評価に不可欠であり、無視できない。
• すべてのループ補正を含む全振幅は、LUX や XENON1T などの実験から得られる既存の制約を回避または変更する直接検出信号に修正を加える。