[논문 리뷰] A light Scalar Dark Matter for CoGeNT and DAMA in D_6 Flavor Symmetric Model

Yuji Kajiyama, Hiroshi Okada외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 13.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 37인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 $D_6$ 대칭성과 연관된 경량 스칼라 어두운 물질 후보($\varphi$)를 제안하며, 어두운 물질은 $D_6$ 단일 스칼라 $\rho_S$ 를 통해 t-채널 교환 방식으로 양성자와 상호작용하여, 스핀 독립형 단면적을 약 $7 \times 10^{-41}\ \text{cm}^2$ 로 예측한다. 이 모형은 CoGeNT 및 DAMA 직접 탐지 신호를 $5-10\ \text{GeV}$ 수준의 어두운 물질 질량로 설명하며, 다른 중성 힉스 상태들과의 혼합으로 인해 표준모형 힉스 보손의 질량이 낮아질 수 있어 ATLAS/CMS 제약 조건을 피할 수 있다.

ABSTRACT

We try to interpret a very light dark matter with mass of 5~10 GeV which is in favor of the recent experiments reported by CoGeNT and DAMA, in a non-supersymmetric extension of radiative seesaw model with a family symmetry D_6 x Z_2 x Z_2. We show that a D_6 singlet real scalar field can be a promising dark matter candidate, and it gives the elastic cross section σ\simeq 7x10^{-41} cm^2 which is required by these experiments. Our dark matter interacts with a D_6 singlet scalar Higgs boson, which couples only to quark sector. The dark matter-nucleon cross section and new decay mode h->DM DM can be large if the standard model Higgs boson h is light. The Higgs phenomenology is also discussed.

연구 동기 및 목표

• CoGeNT 및 DAMA 실험에서 관측된 경량 어두운 물질 신호를 설명하기 위해, 어두운 물질 질량이 $5-10\ \text{GeV}$ 수준임을 고려한다.
• 어두운 물질 후보를 안정화시키는 비초월 대칭성의 반사열기 세이브 모형을 구축하기 위해 $D_6 \times \hat{Z}_2 \times Z_2$ 가족 대칭성을 가진 비초월 대칭성의 반사열기 모형을 제안한다.
• CoGeNT 및 DAMA에서 요구하는 직접 탐지 단면적을 LHC 제약, 특히 표준모형 힉스 보손 질량에 대한 제약과 조율한다.
• 다른 중성 힉스 상태들과의 혼합으로 인해 표준모형 힉스 보손이 두 개의 어두운 물질 입자 $h \to \varphi\varphi$ 로 퇴화할 수 있는 중요한 비가시성 붕괴 모드를 갖는다는 것을 보여준다.

제안 방법

• 세 개의 힉스 두중성자($\phi_{I,S}$), 세 개의 관성 두중성자($\eta_{I,S}$), 그리고 하나의 관성 단일 상태($\varphi$)를 포함하는 $D_6 \times \hat{Z}_2 \times Z_2$ 대칭 모형을 도입하며, $Z_2$ 대칭성 보호로 인해 $\varphi$ 가 어두운 물질 후보가 된다.
• 장의 $D_6$ 및 $Z_2$ 양자수를 할당하여 $\varphi$ 의 안정성과 쿼크 부문에서의 수준별 힘의 변화 중성자 흐름을 억제한다.
• t-채널 방식으로 $D_6$ 단일 스칼라 $\rho_S$ 를 통한 스핀 독립형 직접 탐지 단면적을 유도하며, 행렬 원소는 $|\mathcal{O}_{31}|^2 \lambda_2 m_q / (M_\varphi m_h^2)$ 비례한다.
• 힉스 포텐셜과 어두운 물질의 잔류 밀도에 대한 수치 분석을 수행하여, $M_\varphi \sim 1-20\ \text{GeV}$ 범위에서 WMAP 제약 조건과 일치함을 보였다.
• 힉스 물리학을 평가하며, $h \to \varphi\varphi$ 의 분해비를 포함하고, 혼합으로 인해 표준모형 힉스 질량이 LHC 배제 한계 이하일 수 있음을 입증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 경량 스칼라 어두운 물질 후보가 $D_6$ 대칭성의 반사열기 모형에서 CoGeNT 및 DAMA의 직접 탐지 신호를 설명할 수 있는가?
• RQ2 $D_6$ 단일 스칼라 $\rho_S$ 가 스핀 독립형 어두운 물질-양성자 산란을 어떻게 매개하는가?
• RQ3 이 모형에서 표준모형 힉스 보손과 다른 중성 힉스 보손 간의 혼합이 LHC에서의 표준모형 힉스 보손 질량 제약 조건을 어떻게 완화하는가?
• RQ4 비가시성 붕괴 채널 $h \to \varphi\varphi$ 가 총 힉스 분해비에 기여하는 정도는 얼마이며, 이는 힉스 물리학에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모형은 스핀 독립형 직접 탐지 단면적을 약 $\sigma^{(p)}_{SI} \sim 7 \times 10^{-41}\ \text{cm}^2$ 로 예측하며, 어두운 물질 질량이 $5-10\ \text{GeV}$ 일 때 CoGeNT 및 DAMA 데이터와 일치한다.
• 최저 질량을 가진 표준모형 힉스 보손의 질량 범위는 $115\ \text{GeV} \leq m_h \leq 200\ \text{GeV}$ 로 나타나며, 다른 중성 힉스 상태들과의 혼합으로 인해 LHC 배제 한계를 피할 수 있다.
• $m_h$ 가 허용 범위의 하한에 가까울 경우, $h \to \varphi\varphi$ 의 비가시성 붕괴 분해비는 두 번째로 큰 기여를 하며, 특히 $|\mathcal{O}_{31}|^4 \simeq 0.13$ 일 때 두드러진다.
• 어두운 물질의 잔류 밀도는 $M_\varphi \sim 1-20\ \text{GeV}$ 범위에서 WMAP 관측과 일치하며, $\Omega h^2$ 는 $0.09$ 에서 $0.12$ 사이의 범위를 가진다.
• 쿼크 부문에서 수준별 힘의 변화 중성자 흐름이 발생하지 않도록 하기 위해, 오직 $\phi_S$ 만 쿼크에 결합하고, 나머지 모든 힉스 상태들이 가족 대칭성에 대해 단일 상태이기 때문이다.