[論文レビュー] Reconciling Higgs physics and pseudo-Nambu-Goldstone dark matter in the S2HDM using a genetic algorithm

Thomas Biekötter, María Olalla Olea-Romacho|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 171被引用数 55

ひとこと要約

本稿では、ヒッグス系の制約を満たしつつ、擬似Nambu-Goldstone（pNG）状態のダークマター（DM）を実現するシングレット拡張2ヒッグスダブルレットモデル（S2HDM）を提案する。遺伝的アルゴリズムを用いて、モデルが測定されたDMの残り滓密度、運動量抑制型散乱による直接検出限界の回避、および1TeV未満の摂動的・真空安定性の境界内での96 GeVのLEPおよびCMSの過剰を同時に説明できることを示している。

ABSTRACT

We investigate a possible realization ofpseudo-Nambu-Goldstone (pNG) dark matterin the framework of a singlet-extended 2 Higgsdoublet model (S2HDM). pNG dark matter gainedattraction due to the fact that direct-detectionconstraints can be avoided naturally because of themomentum-suppressed scattering cross sections,whereas the relic abundance of dark matter cannevertheless be accounted for via the usual thermalfreeze-out mechanism. We confront the S2HDM witha multitude of theoretical and experimentalconstraints, paying special attention to thetheoretical limitations on the scalar potential,such as vacuum stability and perturbativity.In addition, we discussthe complementarity between constraintsrelated to the dark matter sector, on theone hand, and to the Higgs sector, on the other hand.In our numerical discussion we explore theHiggs funnel region with dark mattermasses around 60GeV using a genetic algorithm.We demonstrate that the S2HDM can easilyaccount for the measured relic abundance whilebeing in agreement with all relevant constraints.We also discuss whether the so-calledcenter-of-galaxy excesses can beaccommodated,possibly incombination with a Higgsboson at about 96GeV that can be the originof the LEP- and the CMS-excess observed at this massin the $b \bar b$-quark andthe diphoton final state, respectively.

研究の動機と目的

• 擬似Nambu-Goldstone（pNG）ダークマターがS2HDMフレームワーク内で実現可能であるかを検討すること。
• 観測されたダークマターの残り滓密度を、きびしい実験的および理論的制約と調和させること。
• S2HDMがLEPおよびCMSのデータで観測された96 GeVの過剰（b¯bおよび二光子最終状態）を説明できるかを調査すること。
• ヒッグス系の制約とダークマター系の制約の相補的関係を評価すること。
• モデル解析と制約適用のための公開用Pythonパッケージ、s2hdmToolsの開発および公開すること。

提案手法

• DM質量が約60 GeVのヒッグスファネル領域に注目し、S2HDMのパラメータ空間を遺伝的アルゴリズムでスキャンする。
• 真空安定性、1 TeVまでの摂動性、および四スカラー結合定数の階層的ユニタリティ境界を含む理論的制約を適用する。
• LHCのヒッグス信号強度測定との整合性を検証するために、HiggsBoundsおよびHiggsSignalsパッケージを用いる。
• DMの残り滓密度の計算と、矮星銀河からの間接検出制約のテストに、MicrOmegasおよびMadDMを実装する。
• パラメータ空間全域にわたり理論的および実験的制約を自動適用するために、s2hdmTools Pythonパッケージを活用する。
• スカラー混合角から導かれる回転行列を用いて、ラグランジュアンのパラメータを物理的質量および混合角に変換する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 pNGダークマターを有するS2HDMは、測定されたダークマターの残り滓密度を満たしつつ、直接検出制約を回避できるか？
• RQ2 摂動的ユニタリティおよび真空安定性を保ったまま、S2HDMがLEPのb¯b最終状態およびCMSの二光子最終状態における96 GeVの過剰を説明できるか？
• RQ3 1 TeVまでの摂動性および真空安定性といった理論的制約は、pNG DMを有するS2HDMの有効パラメータ空間にどのように影響を与えるか？
• RQ4 銀河中心の過剰と反陽子過剰を、既存の天体物理学的制約に反しない範囲ですべて同時に説明できるか？
• RQ5 単一ダブルレットモデルと比較して、第二のヒッグスダブルレットはDMの対消滅断面積および残り滓密度にどのような影響を与えるか？

主な発見

• S2HDMは、すべての理論的および実験的制約を満たしつつ、測定されたダークマターの残り滓密度（Ωh² = 0.119 ± 0.003）を正確に再現できる。
• pNGダークマターの特徴たる運動量抑制型DM-核子散乱のおかげで、モデルは自然に直接検出限界を回避する。
• 96 GeVのシングレット的CP対称ヒッグスボソンが、125 GeVのヒッグスと十分な混合を許容する（mχ > m_h125/2）限り、LEPのb¯b過剰とCMSの二光子過剰を同時に説明できる。
• モデルは1 TeVまで摂動的であり、重いスカラー質量差（H±, A, h2,3）が約100 GeV未塔に制約され、スピン状態がデカップリング限界に近づく。
• 96 GeVの衝突実験の過剰と宇宙線の異常（銀河中心および反陽子過剰）を同時に説明することは原理的に可能であるが、矮星銀河の観測からそのような点は不適切とされる。
• 本研究では、HiggsBounds、HiggsSignals、MicrOmegas、MadDMを統合した公開用Pythonパッケージs2hdmToolsを提供し、モデルの自動検証および制約テストを可能にした。