[論文レビュー] Two Component Doublet-Triplet Scalar Dark Matter stabilising the Electroweak vacuum

Nabarun Chakrabarty, Rishav Roshan+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、$SU(2)_L$ ダブルレットと $Y=0$ スカラー三重項を組み合わせた二成分スカラー暗黒物質モデルを提案し、成分間の相互変換によって観測された残り滓密度を達成する。このメカニズムにより、ダブルレットの「砂漠領域」（500 GeV–1 TeV）で過去に過小生成とされていた残り滓密度が正しく説明可能となり、三重項の寄与によって電弱真空がプランクスケールまで安定化される。

ABSTRACT

A two-component scalar DM scenario comprising an additional scalar doublet and a $Y$ = 0 scalar triplet is proposed. Key features of the ensuing dark matter phenomenology are highlighted with emphasis on inter-conversion between the two dark matter components. For suitable choices of the model parameters, we show that such inter-conversion can explain the observed relic abundance when the doublet dark matter component has mass in the \\emph{desert} region while the triplet component has sub-TeV mass. This finding is important in the context of such mass regions known to predict under-abundant relic for the standalone cases of the scalar doublet and triplet. In addition, we also show that the present scenario can stabilise the electroweak vacuum up to the Planck scale in the parameter space responsible for the requisite dark matter observables.

研究の動機と目的

• インertダブルレットモデルの「砂漠領域」（500 GeV–1 TeV）で、ダブルレットのゲージボソンへの散乱が強すぎるため生じる残り滓密度の過小生成を是正すること。
• $Y=0$ スカラー三重項が、ダブルレットの役割と併せて電弱真空をプランクスケールまで安定化できるかを検討すること。
• ダブルレットと三重項成分間の相互変換が可能である二成分暗黒物質の実現可能なシナリオを構築し、個々の成分では不足するが、全体として正しい残り滓密度を達成できることを示すこと。
• 観測された残り滓密度と真空安定性の両方が同時に満たされるパラメータ領域を同定すること。

提案手法

• インертな $SU(2)_L$ ダブルレットと $Y=0$ スカラー三重項の二成分暗黒物質モデルを導入し、両者を標準模型のヒッグスとポータルカップリングで相互作用させる。
• スカラー自己エネルギー関数に混合項 $\lambda_{\Phi T}$ を導入し、ダブルレットと三重項成分間の相互変換を実装する。
• プランクスケールまでの一回のループの整合性方程式（RGE）を用いて、四次カップリング、ゲージカップリング、およびヤコビアン相互作用の走破を追跡する。
• ボルツマン方程式に $\mathcal{S}$ 行列要素を完全に組み込み、共凝縮および相互変換過程を含めた残り滓密度計算を実施し、$\chi_1\chi_1 \to VV, HH, \phi\phi$ を対象とする。
• RGEの走破に従い、ヒッグス四次カップリング $\lambda_H$ がプランクスケールまで正のままであることを条件として、真空安定性を適用する。
• モデルパラメータの数値スキャンを用い、残り滓密度が $\Omega_{\rm DM}h^2 \approx 0.12$ に一致し、真空安定性が保持される領域を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラーダブルレットと $Y=0$ スカラー三重項の間の相互変換は、インエントダブルレットモデルの砂漠領域における残り滓密度の過小生成を解消できるか？
• RQ2 $Y=0$ スカラー三重項の導入により、正しい暗黒物質残り滓密度を達成するパラメータ領域において、電弱真空がプランクスケールまで安定化されるか？
• RQ3 観測された残り滓密度と真空安定性の両方が同時に満たされるパラメータ領域は何か？
• RQ4 共凝縮および相互変換過程は、単独のダブルレットまたは三重項モデルと比較して、残り滓密度にどのように影響を与えるか？

主な発見

• ダブルレット質量範囲 $M_{\rm DM} \sim 500~{\rm GeV} - 1~{\rm TeV}$ において、観測された残り滓密度 $\Omega_{\rm DM}h^2 \approx 0.12$ が達成される。この範囲では、単独のインエントダブルレットモデルでは過剰な散乱により失敗する。
• 質量が1 TeV未満の三重項成分により、共凝縮および相互変換が可能となり、有効な散乱断面積が低下し、結果として砂漠領域で正しい残り滓密度が達成可能となる。
• 有効なパラメータ空間では、ヒッグス四次カップリングがプランクスケールまで正のままであり、電弱真空の安定性が保証される。
• ダブルレットと三重項成分間の相互変換率は、冷凍過程のダイナミクスを顕著に変化させ、個々の成分が不足する状況下でも残り滓密度が達成可能である。
• 直接検出、コライダー探索、摂動的安定性のすべての制約を満たしており、プランクスケールまでカップリングが摂動的でままである。
• RGE解析により、$Y=0$ 三重項がヒッグスポテンシャルの安定化に寄与することが確認され、特に $\lambda_{\Phi T}$ および $\lambda_T$ カップリングが $\lambda_H$ の走破に影響を与える。