[論文レビュー] Scale-Invariant Two Component Dark Matter

Seyed Yaser Ayazi, Ahmad Mohamadnejad|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 27被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、標準模型の古典的スケール不変性に拡張された枠組み内で、スカラーダークマター粒子とスピノルダーマットマター粒子を介してスカラオン場によって媒介される、スケール不変な二成分ダークマター模型を提案する。スピンター成分が観測されたリリック密度を支配しており、直接検出、非可視ヒッグス崩壊、自己相互作用からの制約がパラメータ空間の一部を除外する。これは自由パラメータを削減した最小限の枠組みを提供する。

ABSTRACT

We study a scale invariant extension of the standard model which can explain simultaneously dark matter and the hierarchy problem. In our set-up, we introduce a scalar and a spinor as two-component dark matter in addition to scalon field as a mediator. Interesting point about our model is that due to scale invariant conditions, compared to other two-component dark matter models, it has lower independent parameters. Possible astrophysical and laboratory signatures of two-component dark matter candidate are explored and it is shown that the most contribution of observed relic density of dark matter can be determined by spinor dark matter. Detectability of these dark matter particles is studied and the direct and invisible Higgs decay experiments are used to rule out part of the parameter space of the model. In addition, the dark matter self-interactions are considered and shown that their contribution saturate this constraint in the resonant regions.

研究の動機と目的

• 古典的スケール不変性に基づく単一で最小限の枠組み内で、階層問題とダークマターのリリック密度を同時に解決すること。
• スカラおよびスピンター場の二成分ダークマター状況を提案し、安定性のためのZ₂対称性のもとで両者が奇数であることを保証すること。
• スケール不変性を課すことにより自由パラメータの数を削減し、モデルの予測可能性を高めること。
• 天体物理学的および実験的制約、特に直接検出、非可視ヒッグス崩壊、自己相互作用を検討すること。
• 観測されたダークマターのリリック密度への主な寄与を特定し、実験的プローブ全体における検出可能性を評価すること。

提案手法

• ヒッグス質量項を除去し、スカラー単粒子（S）、スピンター単粒子（χ）、スカラオン場（ϕ）を追加することで、標準模型のスケール不変な拡張を導入する。これらはすべてSMゲージ対称性の単粒子である。
• Sおよびχが奇数であるZ₂対称性を導入し、最も軽い奇数粒子の安定性を保証する。ϕおよびすべてのSM場は偶数である。
• ヒッグス、ϕ、Sおよびそれらの相互作用を含む、正規化可能なスケール不変ポテンシャルを構築する：λ_H(H†H)² + λ_ϕϕ⁴/4! + λ_sS⁴/4! + λ_ϕHϕ²H†H + λ_sH S²H†H + λ_ϕsϕ²S²。
• スピンター領域にヤコビ型カップリングを含める：ℒ_spinor = χ̄(iγᵘ∂ᵤ - gϕ)χ。これにより、χがスカラオン場と相互作用できる。
• コールマン＝ワインバーグのメカニズムを用い、電弱対称性の破れ後にすべての場に質量が生成されることを示す。
• 非相対論的量子場理論およびプロパゲータの極を用いて、DM自己相互作用および非可視ヒッグス崩壊の断面積と崩壊率を導出する。重ヒッグス状態H₁およびH₂からの共鳴的寄与を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スケール不変な二成分ダークマター模型は、同時に階層問題を解決し、観測されたダークマターのリリック密度を再現できるか？
• RQ2 この模型において、スカラとスピンターのどちらの成分がリリック密度を支配しており、その支配的要因は何であるか？
• RQ3 直接検出実験および非可視ヒッグス崩壊探索は、模型のパラメータ空間をどのように制約するか？
• RQ4 特に共鳴領域におけるDM自己相互作用の影響は、宇宙論的および天体物理学的観測にどのような意味を持つか？
• RQ5 他の二成分ダークマター模型と比較して、スケール不変性は自由パラメータの数をどの程度削減するか？

主な発見

• スピンターダークマター成分が観測されたダークマターのリリック密度への主な寄与を占めており、スカラ成分は二次的役割を果たす。
• モデルのパラメータ空間は、特にヒッグス粒子がDMペアに崩壊する非可視ヒッグス崩壊探索によって顕著に制約を受けており、パラメータ空間の大半が除外される。
• 直接検出の制約は、スカラDM成分がスカラオンと結合するため、特に大きな領域のパラメータ空間を除外するのに効果的である。
• DM自己相互作用は共鳴領域で強化され、その断面積は宇宙論的観測からの上界に達しており、特にχχ → χχおよびSS → SS過程において顕著である。
• スケール不変性のおかげで自由パラメータの数が最小限に抑えられ、非スケール不変な二成分DMモデルよりも予測可能性に優れたモデルを実現している。
• Sχ → Sχの自己相互作用断面積は、運動量移動および共鳴的ヒッグス状態H₁およびH₂の存在に敏感であり、すべての関連プロセスについて明示的な式が導出された。