[論文レビュー] Two component dark matter with multi-Higgs portals

Ligong Bian, Tianjun Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 35被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、標準模型に三つの混合ヒッグスポータルを通じて結合する、$SU(2)_D$ゲージ群に由来するベクトルDMと、$U(1)$全球対称性に由来するスカラーダークマター（DM）を備えた二成分DMモデルを提案する。モデルは、二つのDM成分間の相互作用と共鳴的散乱を通じて、妥当なパラメータ空間において正しいリリック密度を達成するとともに、電弱精度および真空安定性の制約を満たす。

ABSTRACT

With the assistance of two extra groups, i.e., an extra hidden gauge group $SU(2)_D$ and a global $U(1)$ group, we propose a two component dark matter (DM) model. After the symmetry $SU(2)_D imes U(1)$ being broken, we obtain both the vector and scalar DM candidates. The two DM candidates communicate with the standard model (SM) via three Higgs as multi-Higgs portals. The three Higgs are mixing states of the SM Higgs, the Higgs of the hidden sector and real part of a supplement complex scalar singlet. We study relic density and direct detection of DM in three scenarios. The resonance behaviors and interplay between the two component DM candidates are represented through investigating of the relic density in the parameter spaces of the two DMs masses. The electroweak precision parameters constrains the two Higgs portals couplings ($λ_m$ and $δ_2$). The relevant vacuum stability and naturalness problem in the parameter space of $λ_m$ and $δ_2$ are studied as well. The model could alleviate these two problems in some parameter spaces under the constraints of electroweak precision observables and Higgs indirect search.

研究の動機と目的

• 観測されたリリック密度を同時に説明し、電弱精度制約を満たす二成分DMモデルを構築すること。
• 相互散乱およびヒッグス媒介相互作用を通じた、ベクトルDMとスカラーダークマター候補の相乗的相互作用を調査すること。
• 電弱精度観測量およびヒッグス間接探索からの制約を受けるヒッグスポータル結合$\lambda_m$および$\delta_2$によって定義されるパラメータ空間において、真空安定性および自然性を評価すること。
• 新しいボソン的場を介してヒerarchy問題を解決し、強い一次相転移を達成するモデルの妥当性を探索すること。
• 標準模型ヒッグス、隠れたセクターのヒッグス、および実スカラーヒッグスシングレットの三つの混合ヒッグス状態が、DM散乱および直接検出断面積に与える影響を分析すること。

提案手法

• $SU(2)_D$と全球$U(1)$対称性を有する拡張ゲージ系を導入し、破れによる$SU(2)_D$から生成される安定なベクトルDMと、$Z_2$奇性を持つ虚部を有する複素シングレット$\mathbb{S}$から生じるスカラーダークマターを導出する。
• 標準模型ヒッグス、隠れたヒッグスダブルット$\phi$の実部、および実スカラーシングレット$S$の間の混合を含むスカラーポテンシャルを構築し、三つの混合ヒッグス状態$h_1, h_2, h_3$を形成する。
• DMの二成分が三つのヒッグス状態に及ぼす有効結合を、$\delta_1, \delta_2, \lambda_m$を介して導出し、DM散乱および直接検出過程を媒介する。
• DM数密度$Y_A$および$Y_V$の連立ボルツマン方程式を解き、相互散乱チャンネル$AA \leftrightarrow VV$および$VV \leftrightarrow AA$を含めたリリック密度を計算する。
• 真空安定性および自然性を調べるため、一ループの整合性関数（RGE）を用い、$\delta_1, \delta_2, d_2, \lambda_m, \lambda, \lambda_\phi, g_\phi$の$\beta$関数を導出する。
• 三つのヒッグス状態からの$t$チャネルヒッグス交換を介したスピン不変DM-核子散乱断面積を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ベクトル状態およびスカラーダークマターを有する二成分DMモデルが、共鳴的散乱および相互作用を通じて観測されたリリック密度を達成できるか。
• RQ2 三つのヒッグスポータル結合（$\lambda_m, \delta_1, \delta_2$）が、DM間相互散乱チャンネルを伴う状況下でリリック密度および直接検出率に与える影響は何か。
• RQ3 電弱精度観測量およびヒッグス間接探索からの制約を受ける中で、モデルが自然性問題をどの程度軽減でき、真空安定性を維持できるか。
• RQ4 $AA \leftrightarrow VV$および$VV \leftrightarrow AA$の散乱チャンネルが、DM数密度の時間発展および最終的なリリック密度に与える影響は何か。
• RQ5 三つのヒッグス状態間の混合角および質量差が、DM散乱断面積の共鳴的増幅にどのように寄与するか。

主な発見

• モデルは、三つのヒッグス状態の質量に共鳴的散乱が起こることで正しいリリック密度を達成する。散乱断面積は$t$-、$u$-、およびセイルグ型のフェルミオン図を介して増幅される。
• スピン不変DM-核子散乱断面積は、三つのヒッグス状態からの$t$チャネル交換が支配的であり、混合角$R_{1i}, R_{2i}, R_{3i}$およびポータル結合によって重み付けられる。
• $AA \leftrightarrow VV$および$VV \leftrightarrow AA$の相互散乱チャンネルは、連立ボルツマン方程式によって示されるように、DM数密度の時間発展に顕著な影響を与える。
• 電弱精度観測量は、ポータル結合$\lambda_m$および$\delta_2$を制限し、真空安定性および自然性が向上する領域が存在することが示された。
• 一ループRGEにより、$\delta_1, \delta_2, \lambda_m$の$\beta$関数がゲージおよびヤコビ結合に敏感であることが判明し、パラメータ空間の一部で真空安定性を維持できる。
• 特に$AA \leftrightarrow VV$チャンネルの開口がリリック密度に影響を与えることから、本モデルは単一成分DMのシナリオとは明確に異なる。