[논문 리뷰] Asymmetric Dark Matter and Muon $g-2$ in Extended Exo-Higgs Scenarios

Hooman Davoudiasl, Pier Paolo Giardino외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 16.

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한 줄 요약

이 논문은 복소 스칼라 싱렛 χ를 포함한 외부 힉스 모형을 확장하여 약 1.3 GeV의 질량을 가진 타당한 비대칭 암흑물질(ADM) 후보를 제안한다. 이 모형은 새로운 벡터-유사 페르미온을 통해 약 3.5σ 수준에서 뮤온 g-2 이상을 설명하며, 테르라전자볼트 규모의 1차 위상 전이에서 검출 가능한 중력파를 예측하고, LHC에서의 외부 렙톤 붕괴를 통한 렙톤 쌍과 미량 에너지의 최종 상태 신호를 제공한다.

ABSTRACT

The exo-Higgs model can accommodate a successful baryogenesis mechanism that closely mirrors electroweak baryogenesis in the Standard Model, but avoids its shortcomings. We extend the exo-Higgs model by the addition of a singlet complex scalar $\chi$. In our model, $\chi$ can be a viable asymmetric dark matter (ADM) candidate. We predict the mass of the ADM particle to be $m_\chi\approx1.3\, extrm{GeV}$. The leptophilic couplings of $\chi$ can provide for efficient annihilation of the ADM pairs. We also discuss the LHC signals of our scenario, and in particular the production and decays of exo-leptons which would lead to lepton pair plus missing energy final states. Our model typically predicts potentially detectable gravitational waves originating from the assumed strong first order phase transition at a temperature of $\sim$ TeV. If the model is further extended to include new heavy vector-like fermions, {\it e.g.} from an ultraviolet extension, $\chi$ couplings could explain the $\sim 3.5\sigma $ muon $g-2$ anomaly.

연구 동기 및 목표

• 표준모형의 전자기적 쿠르트 힉스 생성 메커니즘의 한계를 해결하기 위해 외부 힉스 모형에 복소 스칼라 싱렛을 추가한다.
• 약 1.3 GeV의 질량을 가진 타당한 비대칭 암흑물질 후보(χ)를 제안하며, 효율적인 쌍체 파괴를 통해 정확한 잔류 밀도를 달성한다.
• 모델의 UV 완전한 확장에서 새로운 벡터-유사 페르미온을 통해 관측된 약 3.5σ 수준의 뮤온 g-2 이상을 설명한다.
• 외부 렙톤 생성과 렙톤 쌍 및 미량 에너지로의 붕괴를 통해 LHC에서 관측 가능한 서명을 예측한다.
• 강한 1차 위상 전이의 천체물리적 영향을 탐색하며, 약 테르라전자볼트 규모에서 검출 가능한 중력파 생산을 포함한다.

제안 방법

• 레프틸로픽 결합을 가진 복소 싱렛 스칼라 χ를 외부 힉스 모형에 암흑물질 후보로 도입한다.
• 표준 모형의 단점을 피하는 전자기적 쿠르트 힉스 생성 메커니즘과 유사한 메커니즘을 구현한다.
• 스칼라 χ의 결합을 통해 암흑물질 쌍체의 효율적 파괴를 유도하여 정확한 잔류 밀도를 확보한다.
• 관측된 뮤온 g-2의 편차를 생성하기 위해 UV 완전한 확장에서 새로운 무거운 벡터-유사 페르미온을 포함한다.
• 약 테르라전자볼트 온도에서 강한 1차 전자기적 위상 전이로부터 중력파 스펙트럼을 계산한다.
• LHC 현상학을 분석하며, 외부 렙톤 생성과 렙톤 쌍 및 미량 에너지로의 붕괴에 집중한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복소 싱렛 스칼라 χ를 포함한 외부 힉스 모형이 약 1.3 GeV의 질량을 가진 타당한 비대칭 암흑물질 후보를 제공할 수 있는가?
• RQ2 χ의 렙틸로픽 결합은 어떻게 효율적인 암흑물질 쌍체 파괴를 가능하게 하여 관측된 잔류 밀도를 달성하는가?
• RQ3 이 모형 내에서 새로운 벡터-유사 페르미온의 포함이 관측된 약 3.5σ 수준의 뮤온 g-2 이상을 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ4 외부 렙톤 생성과 렙톤 쌍 및 미량 에너지로의 붕괴에서 유도되는 검출 가능한 LHC 신호는 무엇인가?
• RQ5 이 모형은 약 테르라전자볼트 규모에서 검출 가능한 중력파를 생성할 수 있는 강한 1차 위상 전이를 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 비대칭 암흑물질 후보 χ는 약 1.3 GeV의 예측 질량을 가지며, 천체물리적 잔류 밀도 제약 조건과 일치한다.
• χ의 렙틸로픽 결합은 효율적인 파괴를 가능하게 하여 정확한 암흑물질 잔류 밀도를 보장한다.
• UV 확장에서 새로운 벡터-유사 페르미온을 포함함으로써 관측된 약 3.5σ 수준의 뮤온 g-2 편차를 설명할 수 있다.
• 이 모형은 외부 렙톤 붕괴를 통한 렙톤 쌍과 미량 에너지로의 최종 상태를 통해 검출 가능한 LHC 신호를 예측한다.
• 약 테르라전자볼트 온도에서 강한 1차 위상 전이가 검출 가능한 중력파 신호를 유도한다.
• 이 모형은 표준 전자기적 쿠르트 힉스 생성 메커니즘의 단점을 피하는 성공적인 비대칭 생성 메커니즘을 실현한다.