[論文レビュー] WIMP Dark Matter in Composite Higgs Models and the Dilaton Portal

Manki Kim, Seung J. Lee+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、SO(6)/SO(5)対称性に基づく複合ヒッグスモデルを提案し、ヒッグス粒子とスカラー暗黒物質（DM）候補が両方とも擬似ゴールドストーン粒子として出現することを示す。近似的な共形不変性を介したドリンポータルを導入し、軽いドリンが Sommerfeld 効果を介してDMの対消滅を強化することを示し、リリック密度および直接的・間接的検出制約と整合する200–400 GeVの妥当なDM質量窓を可能にする。

ABSTRACT

We study under which conditions a scalar particle is a viable WIMP Dark Matter candidate with Higgs and dilaton interactions. The theory is a composite Higgs model with top partial compositeness where both the Higgs and the Dark Matter candidate arise as pseudo Goldstone boson of the coset SO(6)/SO(5) from a new physics sector. We highlight the role of the dilaton in direct and indirect searches. We find that a Dark Matter particle with a mass around 200-400 GeV and a relatively light dilaton are a fair prediction of the model.

研究の動機と目的

• SO(6)/SO(5)対称性を有する複合ヒッグスモデルにおけるスカラー暗黒物質候補の妥当性を調査すること。
• 近似的な共形不変性に起因するドリンが、標準模型（SM）との暗黒物質相互作用の新たなポータルとして果たす役割を検討すること。
• 直接的および間接的検出制約（リリック密度およびSommerfeld補正付き消滅過程を含む）を含めた、暗黒物質候補の評価。
• 強い結合する1つのセクターにヒッグスおよびドリン媒介のDM相互作用を統合し、微調整を回避すること。

提案手法

• SO(6)/SO(5)の対称性の破れに起因するゴールドストーン粒子を記述するためのCallan-Coleman-Wess-Zumino（CCWZ）形式主義。
• スケール対称性の近似的な破れとしてのドリン場σを、有効ラグランジアンから導出される相互作用とともに取り入れる。
• ヒッグスおよびドリンの交換に起因する熱的凍結凍結機構によるDMのリリック密度の計算。
• SM終状態へのDM対消滅断面積の導出、特にドリンが媒介するSommerfeld補正付き過程を含む。
• HiggsおよびドリンがSMフェルミオンおよびゲージボソンと有効結合するための加速器制約の組み込み。
• 観測されたDMリリック密度および直接的・間接的検出限界と整合するパラメータ空間の数値的解析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SO(6)/SO(5)対称性を有する複合ヒッグスモデルにおけるスカラー暗黒物質候補が、ヒッグスおよびドリンポータルを介して観測されたリリック密度を達成できるか。
• RQ2 軽いドリンの存在が、暗黒物質候補の直接的および間接的検出信号にどのように影響を与えるか。
• RQ3 Sommerfeld補正が暗黒物質の対消滅に与える影響は何か。また、どのポータル（ヒッグスかドリン）が異なる質量領域で支配的になるか。
• RQ4 どのような条件下でドリンがヒッグスよりもDM相互作用を支配するようになるか、特に200–400 GeVの質量窓において。
• RQ5 Higgsおよびドリンの結合に関する加速器制約が、暗黒物質候補の妥当なパラメータ空間にどのように影響を与えるか。

主な発見

• 200–400 GeVの範囲の質量を持つ暗黒物質候補は、モデルの自然な予測であり、観測されたリリック密度と整合する。
• 軽いドリンはSommerfeld補正付きの対消滅断面積を顕著に増幅させ、200–400 GeVの窓内ではDM対消滅の主な寄与として顕著になる。
• モデルは、ドリンが相対的に軽い（mσ ≲ 100 GeV）と予測され、これは消滅率の増幅に不可欠である。
• この質量範囲では、ヒッグスポータルのみでは微調整を伴わずに観測されたリリック密度を説明できないが、ドリンポータルの導入によりこの問題が解決される。
• Z2対称性がDM候補を保護し、クォークへの直接結合が抑制されるため、直接検出制約は満たされる。
• トップクォークの部分的コンポジット性が適切に調整されれば、LHCの測定結果と整合するHiggsのSM粒子への結合が得られるため、モデルは加速器制約のもとでも妥当である。