[論文レビュー] Singlet fermionic dark matter as a natural higgs portal model

Yeong Gyun Kim, Kang Young Lee+1 more|ArXiv.org|Sep 16, 2008

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、標準模型とシングレットスカラーを通して相互作用するディラックフェルミオンを介して、自然に弱い力で相互作用する大質量粒子（WIMP）として振る舞う、再帰的（renormalizable）なシングレットフェルミオン的ダークマター模型を提案する。この模型は、WMAPが測定した観測されたリリック密度をうまく再現し、将来の実験（例：super-CDMS）で検出可能な直接検出断面積を予測する。

ABSTRACT

We propose a renormalizable model of a fermionic dark matter by introducing a gauge singlet Dirac fermion and a real singlet scalar. The bridges between the singlet sector and the standard model sector are only the singlet scalar interaction terms with the standard model Higgs field. The singlet fermion couples to the standard model particles through the mixing between the standard model Higgs and singlet scalar and is naturally a weakly interacting massive particle (WIMP). The measured relic abundance can be explained by the singlet fermionic dark matter as the WIMP within this model. Collider implication of the singlet fermionic dark matter is also discussed. Predicted is the elastic scattering cross section of the singlet fermion into target nuclei for a direct detection of the dark matter. Search of the direct detection of the dark matter provides severe constraints on the parameters of our model.

研究の動機と目的

• ゲージシングレットのディラックフェルミオンと実スカラーを備えた、標準模型の最小で再帰的な拡張として、冷たいダークマター候補として実現可能なモデルを提案すること。
• シングレットスカラー・ポータルを通じてヒッグス粒子と混合することで、フェルミオン的ダークマターが自然にWIMPとして振る舞うように保証すること。
• WMAPが測定した宇宙の冷たいダークマターの観測リリック密度を再現すること。
• LEP2のヒッグス粒子探索による制約を適用し、直接検出信号を予測すること。
• 現在の実験では制約を受けていないが、将来の直接検出実験で探査可能な、妥当なパラメータ空間を同定すること。

提案手法

• ゲージシングレットである実スカラー $S$ とディラックフェルミオン $\psi$ を持つ隠れたセクターを導入し、フェルミオン数を保存し、SMフェルミオンへの直接結合を禁止する $Z_2$-類似の対称性を導入する。
• 再帰的相互作用 $\mathcal{L}_{\text{int}} = -\lambda_1 H^\dagger H S - \lambda_2 H^\dagger H S^2$ を用いてヒッグスポータルを実装し、$S$ がSMヒッグス粒子と混合できることを可能にする。
• スカラー質量行列を対角化して、二つの物理的ヒッグス状態 $h_1$（SMに類似）と $h_2$（シングレットに類似）を得る。混合角を $\theta$ とする。
• ヒッグス混合と $S$ への $g_S$-結合を通じて、$\psi$ がSM粒子と有効的に結合することを導出する。
• 冷たいダークマターの熱的リリック密度を、凍結断絶の公式 $\Omega_\psi h^2 \approx \frac{1.07 \times 10^9 x_F}{\sqrt{g_*} M_{\text{pl}} \langle \sigma_{\text{ann}} v_{\text{rel}} \rangle}$ を用いて計算し、WMAPの制約と整合することを確認する。
• 直接検出のためのスピン非依存弾性散乱断面積 $\sigma(\psi p \to \psi p)$ を、$t$-チャネルの $h_1$/$h_2$ 交換を通じて計算し、CDMS、Xenon、およびsuper-CDMSの制約と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲージシングレットのディラックフェルミオンと実スカラーを備えた再帰的モデルは、冷たいダークマターの観測リリック密度を再現できるか？
• RQ2 スカラー混合を通じたヒッグスポータルは、フェルミオン的ダークマターの直接検出断面積にどのように影響するか？
• RQ3 LEP2のヒッグス探索による制約を課した後、どのパラメータ空間が依然として妥当なままであるか？
• RQ4 将来の直接検出実験（例：super-CDMS）は、モデルのどの程度のパラメータ空間を探査可能とするか？
• RQ5 SMに類似したヒッグス粒子とシングレットに類似したヒッグス粒子が二つ存在する場合、単一のヒッグスポータルモデルと比較して、物性論的性質がどのように変化するか？

主な発見

• モデルは、パラメータの広い範囲で、WMAPが観測したリリック密度 $0.085 < \Omega_{\text{CDM}} h^2 < 0.119$ をうまく再現する。特に $m_\psi \sim 20{-}100$ GeV の範囲で顕著である。
• $m_{h_1} = 120$ GeV および $m_{h_2} = 100$ GeV の場合、許容されるパラメータ空間は $20$ GeV $\leq m_\psi \leq 100$ GeV および $10^{-3} \leq g_S \leq 10$ に及び、$|\theta| \in [0.0015, 0.736]$ ラジアンの範囲をとる。
• 直接検出断面積の予測値は、現在のCDMSおよびXenonの制約を下回るが、近い将来のsuper-CDMS実験で検出可能である範囲にある。
• LEP2の実験的制約は、混合ヒッグス状態が標準的な114.4 GeVの限界より低い有効ヒッグス質量を許容するため、モデルを除外しない。
• $m_\psi \sim m_{h_1}/2$ および $m_\psi \sim m_{h_2}/2$ の二つの共鳴的消失領域が存在し、リリック密度の抑制を強化する。
• $m_\psi \sim 100$ GeV および $g_S \sim 0.1$ のパラメータ空間では、断面積が $\sim 10^{-9}$ pb に達し、super-CDMSの予想される感度と整合的である。