[論文レビュー] Scalar Dark Matter and Electroweak Stability

D. Demir, Cem Salih Ün|arXiv (Cornell University)|May 7, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 30被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、実スケールノードスカラーダークマター候補が、スカラーボソンとヒッグス粒子の質量が degenerate である場合に、四次結合定数が統一されることで電弱スケールを安定化させるメカニズム—質量縮退駆動型統一（MDDU）—を提案する。シミュレーションにより、このフレームワークがコライダーおよび天体物理学的制約を満たしており、ヒッグスの不可視崩壊が抑制され、直接的・間接的検出信号が検証可能である、有効なダークマター候補を実現可能であることが示された。

ABSTRACT

The standard model of elementary particles (SM), despite experimental completion at the LHC, needs to be extended for various physical reasons, including the cold dark matter (DM). Each extension comes with its scale and mechanism, and typically lifts, at the loop level, the electroweak scale towards its high scale. The problem is to keep the electroweak scale stable while providing a room for the aforementioned heavy extensions. To this end, it turns out that the SM Higgs sector remains stable in the presence of a heavy scalar if their quartic couplings unify at a certain scale when their masses are degenerate. Under this mass-degeneracy-driven unification (MDDU), the scalar under concern is found to qualify as a viable DM candidate and to leave the electroweak scale stable. Our detailed simulation studies explicitly show that the MDDU parameter space agrees with current collider and astrophysical bounds. Our work can be extended to other relevant scalars (like flavons, inflaton and others) as a mechanism by which the electroweak scale is held stable.

研究の動機と目的

• 重いBSMセクターからのUV補正に対してヒッグス粒子質量が安定化するように、電弱階層問題を解決すること。
• 現在の実験的制約（残存密度、直接検出、不可視ヒッグス崩壊）と整合性を保った、有効なスカラーダークマター候補を特定すること。
• ヒッグス粒子と実スケールノードスカラーダーモンが質量縮退している場合に、四次結合定数が統一され、不安定化するループ補正が抑制されることを示すこと。
• MDDUメカニズムにより、SM-BSM結合定数が階層的に小さくなることが可能であり、微調整や従来のBSM対称性の必要性を回避できることを示すこと。
• LHC、LUX-Zeplin、Fermi-LAT実験からの制約を通じて、モデルの物性的妥当性を検討すること。

提案手法

• 高スケールで四次結合定数の統一を誘発するために、標準模型ヒッグス粒子と実スケールノードスカラーダーモンSの質量縮退を課す。
• 次元正則化と${\overline{\text{MS}}}$再結合を用いてヒッグス質量へのループ補正を計算し、$\delta m_H^2 \propto \lambda_{HS} m_S^2 \log(m_S^2/Q^2)$を示す。
• MDDU条件を適用して$m_S \to \infty$のとき$\lambda_{HS} \to 0$とし、ヒッグス質量シフトの見かけの抑制（セーワー的抑制）を実現する。
• 観測されたダークマター残存密度と整合するパラメータ空間の領域を特定するために、ブラインドスキャンを実施する。
• 核子へのスピン非依存散乱を通じて直接検出断面積を評価し、$SS \to bb$、$\tau\tau$、$WW$、$ZZ$、$hh$、および$tt$チャネルに注目する。
• 間接検出信号を$SS \to bb$、$\tau\tau$、および$WW$散乱を通じて分析し、予測された生成率をFermi-LATデータおよび予測値と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重いスカラーブレイクスルー標準模型（BSM）セクターが存在する状況でも、微調整を要さずに電弱スケールが安定に保たれるか？
• RQ2 実スケールノードスカラーダーモンが、電弱安定性を保ちつつ、有効なダークマター候補として成立する条件は何か？
• RQ3 ヒッグス粒子の不可視崩壊による$SS$への制約は、$\lambda_{HS}$結合定数にどのような影響を及ぼし、MDDUは自然にこれらの制約を満たすことができるか？
• RQ4 スカラーダークマター候補の直接的および間接的検出信号は何か？ そして、これらは現在または将来の実験で検証可能か？
• RQ5 MDDUメカニズムは、インフレートンやフラボンなどの他のスカラーフィールドへ一般化可能か？ そして、BSM物理学にどのような意味を持つのか？

主な発見

• MDDUメカニズムにより、$\lambda_{HS}$結合定数が$m_S$の増加に伴い減少することで、ヒッグス粒子質量が安定化され、UV補正が効果的に抑制される。
• $m_S = 50$、$80$、または$300$ GeVの場合、プランクデータと整合する有効なダークマター残存密度が得られ、特に$m_h/2$付近の共鳴領域で顕著である。
• MDDU条件のおかげで、ヒッグス粒子の不可視分岐比が自然に10%未満に抑えられ、外部の制約を要しない。
• スピン非依存直接検出断面積は、現在のLUX-Zeplinの除外曲線をわずかに下回る予測であり、近い将来の実験で検証可能である。
• $m_S \gtrsim 80$ GeVでは、$WW$最終状態への散乱が合計断面積のおよそ80%を占め、将来のFermi-LATアップグレードでプローブ可能と予想される。
• $SS \to bb$および$SS \to \tau\tau$チャネルの平均断面積は、現在のFermi-LATの除外限界をわずかに下回っており、将来の15年間の予測ではこれらの信号がテスト可能となる可能性がある。