[論文レビュー] Unitarity Constraints on Higgs Portals

Devin G. E. Walker|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、ヒッグスポータルダークマター模型におけるユニタリティおよび摂動的制約を導出し、中間子としてのヒッグスボソン質量が、フェルミオンのみの散乱の場合に3 TeV、フェルミオンおよびヒッグス交換を含む場合に14.2 TeVに制限されることを示している。また、ダーク対称性の破れによる真空期待値も、それぞれ2.4 TeVおよび12 TeVに制限される。これらの制約は、実現可能なパラメータ空間を著しく縮小し、今後のコライダー、例えばILCやVLHCが、このメカニズムを検証するために不可欠であることを示唆している。

ABSTRACT

Dark matter that was once in thermal equilibrium with the Standard Model is generally prohibited from obtaining all of its mass from the electroweak phase transition. This implies a new scale of physics and mediator particles to facilitate dark matter annihilation. In this work, we focus on dark matter that annihilates through a generic Higgs portal. We show how partial wave unitarity places an upper bound on the mass of the mediator (or dark) Higgs when its mass is increased to be the largest scale in the effective theory. For models where the dark matter annihilates via fermion exchange, an upper bound is generated when unitarity breaks down around 8.5 TeV. Models where the dark matter annihilates via fermion and higgs boson exchange push the bound to 45.5 TeV. We also show that if dark matter obtains all of its mass from a new symmetry breaking scale that scale is also constrained. We improve these constraints by requiring perturbativity in the Higgs sector up to each unitarity bound. In this limit, the bounds on the dark symmetry breaking vev and the dark Higgs mass are now 2.4 and 3 TeV, respectively, when the dark matter annihilates via fermion exchange. When dark matter annihilates via fermion and higgs boson exchange, the bounds are now 12 and 14.2 TeV, respectively. The available parameter space for Higgs portal dark matter annihilation is outlined. We also show how the bounds are improved if Higgs portal dark matter is only a fraction of the observed relic abundance. Finally, we discuss how to apply these arguments to other dark matter scenarios and discuss prospects for direct detection and future collider searches. If the Higgs portal is responsible for dark matter annihilation, planned direct detection experiments will cover almost all the parameter space. The ILC and/or VLHC, however, is needed to establish the Higgs portal mechanism.

研究の動機と目的

• ユニタリティおよび摂動的制約を用いて、ヒッグスポータルダークマター模型におけるダークヒッグス中間子の質量の理論的上限を導出すること。
• 特にダークヒッグスの真空期待値（vev）によって引き起こされる新物理のスケールを制約すること。
• ユニタリティおよび摂動的条件の下で、ヒッグスポータルダークマターの散乱の実現可能なパラメータ空間をマップすること。
• 直接検出実験および今後のコライダー（ILC、VLHC）が、ヒッグスポータルメカニズムをどれだけ探査できるかを評価すること。
• ユニタリティ限界までにヒッグス系における摂動的性質を組み込むことで、既存の制約を改善すること。

提案手法

• 高エネルギーにおけるSMヒッグスおよびダークヒッグスを含む散乱振幅に部分波ユニタリティを適用し、ユニタリティが破れる境界を特定する。
• ヒッグスポータル結合定数、混合角、中間子質量のパラメータースキャンを実施し、ユニタリティ違反領域を同定する。
• ユニタリティ限界までにヒッグス系に摂動的制約を課し、理論が弱い結合のままであることを保証する。
• 測定済みの残存密度を用いて、SMヒッグスとダークヒッグスの混合角を固定し、ユニタリティ制約を質量およびvevの上限に翻訳する。
• 電弱精度観測量（SおよびTパラメータ）およびヒッグス信号強度測定（μγγ+ZZ）の制約を組み合わせ、混合角を制限する。
• 直接検出断面積を評価し、制約されたパラメータ空間に基づいて、近い将来の実験の感度を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ユニタリティが破れる前に、ヒッグスポータルダークマター模型におけるダークヒッグス中間子の最大許容質量は何か？
• RQ2 ヒッグス系における摂動的制約が、ダークヒッグス質量およびダークvevの上限をどれほど精緻化するか？
• RQ3 ダークマター散乱過程にヒッグス交換を含めると、フェルミオンのみの散乱と比較してユニタリティ制約にどのような影響を与えるか？
• RQ4 観測されたヒッグス信号強度（μγγ+ZZ）は、SMヒッグスとダークヒッグスの混合角をどの程度制限するか？
• RQ5 今後10年以内に計画されている直接検出実験は、ヒッグスポータルダークマターの残りの実現可能なパラメータ空間をカバーできるか？

主な発見

• フェルミオンのみの散乱によるダークマター散乱の場合、ユニタリティ制約によるダークヒッグス質量の上限は8.5 TeVであるが、摂動的制約を課すと3 TeVにまで低下する。
• フェルミオンおよびヒッグス交換が散乱に寄与する場合、ユニタリティ制約による上限は45.5 TeVにまで上昇するが、摂動的制約により14.2 TeVにまで低下する。
• ダークヒッグスの真空期待値（vev）は、フェルミオンのみの散乱の場合に2.4 TeV、ヒッグス交換を含む場合に12 TeVに制限される。
• 現在のヒッグス信号強度データ（μγγ+ZZ ∈ [0.58, 2.15] 95%信頼区間）に基づき、SMとダークヒッグスの混合角はcosθ ∈ [1/√2, ≲1]に制限される。
• 今後10年以内に計画されている直接検出実験は、ヒッグスポータルダークマターの残りの実現可能なパラメータ空間のほぼすべてをカバーできると予想される。
• ILCおよび/またはVLHCは、直接検出では到達できない高エネルギー物理を探査できるため、ヒッグスポータルメカニズムを明確に確立するために不可欠である。