[논문 리뷰] Can Radiative Symmetry Breaking Generate Viable Dark Matter Mass and Abundance in a Scalar Singlet Higgs Portal Extension of the Standard Model

T. G. Steele, Zhi-Wei Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 07.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 스칼라 싱게트 힉스 포털을 갖춘 표준모형의 동형성 확장에서 복사 전기약력 대칭 깨짐 메커니즘을 제안한다. 여기서 힉스 보존과 싱게트 스칼라의 질량은 모두 동적으로 생성된다. 1계수 루프 수준에서 이 메커니즘은 $M_s \gtrsim 106$ GeV일 경우 약 10%–100%의 어둠마 물질 밀도를 제공하며, 관측된 천체물리학적 어둠마 물질 밀도를 충족하고 다음 세대 XENON 실험에서 검출 가능하다.

ABSTRACT

We consider generation of dark matter mass via radiative electroweak symmetry breaking in an extension of the conformal Standard Model containing a singlet scalar field with a Higgs portal interaction. Generating the mass from a sequential process of radiative electroweak symmetry breaking followed by a conventional Higgs mechanism can account for less than 35% of the cosmological dark matter abundance for dark matter mass $M_s>80 GeV$. However in a dynamical approach where both Higgs and scalar singlet masses are generated via radiative electroweak symmetry breaking we obtain much higher levels of dark matter abundance. At one-loop level we find abundances of 10%--100% with $106 GeV 80 GeV$ detection region of the next generation XENON experiment.

연구 동기 및 목표

• 스칼라 싱게트를 가진 동형 표준모형 확장에서 복사 전기약력 대칭 깨짐이 타당한 어둠마 물질 질량과 밀도를 생성할 수 있는지 조사하기 위해.
• 힉스 및 싱게트 스칼라 장에 대한 동적 질량 생성 메커니즘이 충분한 어둠마 물질 잔류 밀도를 생성할 수 있는지 결정하기 위해.
• 특히 XENON을 포함한 향후 직접 탐지 실험에서 이러한 어둠마 물질이 검출 가능한지 평가하기 위해.

제안 방법

• 힉스 보존과 결합된 싱게트 스칼라 장을 가진 동형 표준모형의 스칼라 싱게트 힉스 포털 확장을 구현하기 위해.
• 1계수 루프 복사 전기약력 대칭 깨짐을 적용하여 힉스 및 싱게트 스칼라의 질량을 동적으로 생성하기 위해.
• 유래된 스칼라 포텐셜을 사용하여 동결-아웃 계산을 통해 어둠마 물질 잔류 밀도를 계산하기 위해.
• 어둠마 물질 질량 $M_s > 80$ GeV 범위의 매개변수 공간을 평가하고 예측된 밀도를 관측된 천체물리학적 어둠마 물질 밀도와 비교하기 위해.
• 다음 세대 XENON 실험의 어둠마 물질 탐지 능력을 $M_s \gtrsim 106$ GeV 범위에서 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스칼라 싱게트 힉스 포털 모형에서 복사 전기약력 대칭 깨짐이 관측된 천체물리학적 밀도와 일치하는 어둠마 물질 잔류 밀도를 생성할 수 있는가?
• RQ2 이 모형에서 1계수 루프 복사 질량 생성을 통해 달성 가능한 어둠마 물질 밀도의 최대치는 얼마인가?
• RQ3 어둠마 물질 질량 $M_s$ 는 이 복사 대칭 깨짐 시나리오에서 예측된 잔류 밀도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 이 모형에서 예측된 어둠마 물질은 다음 세대 XENON 실험에서 검출 가능한가?
• RQ5 힉스 및 싱게트 스칼라 장에 대한 동적 질량 생성이 기존의 힉스 메커니즘 기반 시나리오에 비해 어둠마 물질 밀도를 상당히 증가시키는가?

주요 결과

• 복사 전기약력 대칭 깨짐 시나리오에서 $M_s \gtrsim 106$ GeV일 경우 어둠마 물질 밀도는 10%–100%에 이르며, 관측된 천체물리학적 어둠마 물질 밀도를 충족한다.
• 이 모형에서 어둠마 물질 밀도가 타당한 것은 힉스 및 싱게트 스칼라 질량이 모두 복사 대칭 깨짐을 통해 생성될 때에만 가능하며, 힉스 질량만 복사적으로 생성될 경우에는 불가능하다.
• $M_s > 80$ GeV일 경우, 기존의 힉스 메커니즘 기반 질량 생성은 관측된 어둠마 물질 밀도의 35% 미만을 제공한다.
• 예측된 어둠마 물질 질량 범위 $M_s \gtrsim 106$ GeV는 다음 세대 XENON 실험의 감도 범위 내에 있다.
• 1계수 루프 복사 메커니즘은 나무 계수 또는 기존의 힉스 주도 시나리오에 비해 어둠마 물질 밀도를 상당히 증가시킨다.