[논문 리뷰] Composite Dark Matter and Higgs

T. Ma, Yongcheng Wu외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 60인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 강한 게이지- fermion 동역학에서 Higgs와 다크 매터(DM) 후보가 모두 준가우시-골드스톤 보존(pNGBs)으로 나타나는 SU(4)×SU(4)/SU(4) 모델 내에서 복합 다크 매터(DM) 시나리오를 제안한다. 이 모델은 500 GeV에서 몇 테바볼트 이하의 타당한 DM 질량 범위를 규명하며, 직접 탐지 실험은 1 테바볼트 이상의 질량을 제약하고, 이국적 복합 스칼라의 LHC 잠재적 탐지 가능성도 확립한다.

ABSTRACT

We investigate the possibility that Dark Matter arises as a composite state of a fundamental confining dynamics, together with the Higgs boson. We focus on the minimal SU(4)$ imes$SU(4)/SU(4) model which has both a Dark Matter and a Higgs candidates arising as pseudo-Nambu-Goldstone bosons. At the same time, a simple underlying gauge-fermion theory can be defined providing an existence proof of, and useful constraints on, the effective field theory description. We focus on the parameter space where the Dark Matter candidate is mostly a gauge singlet. We present a complete calculation of its relic abundance and find preferred masses between 500 GeV to a few TeV. Direct Dark Matter detection already probes part of the parameter space, ruling out masses above 1 TeV, while Indirect Detection is relevant only if non-thermal production is assumed. The prospects for detection of the odd composite scalars at the LHC are also established.

연구 동기 및 목표

• SU(4)×SU(4)/SU(4) 전역 대칭 붕괴 기반의 최소 복합 힉스 및 다크 매터 모델을 탐색하기 위해.
• 효과적 pNGB 기술로 설명되는 힉스와 다크 매터의 동적 기원을 제공하는 UV 완전한 게이지- fermion 이론을 제공하기 위해.
• 대체로 게이지 단일체인 경우에 초점을 맞춰 다크 매터 후보의 잔류 밀도를 결정하기 위해.
• 직접 및 간접 다크 매터 탐지, 그리고 LHC에서 이방성 복합 스칼라 탐지 검색을 통한 모델 탐지 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• Higgs와 중성 pNGB가 가장 가벼운 상태인 SU(4)×SU(4)/SU(4) 전역 대칭 붕괴 패턴을 기반으로 한 효과적 양자장 이론을 구성하기 위해.
• SU(4)×SU(4)를 통해 변환되는 기본 페르미온을 포함하는 UV 완전한 게이지- fermion 이론을 정의하여 pNGB의 동적 기원을 제공하기 위해.
• 게이지 단일체 지배 원칙을 가정하고 초기 우주에서 열적 동결-아웃을 통해 다크 매터 후보의 잔류 밀도를 계산하기 위해.
• 표준모형(SM) 페르미온과의 결합으로부터 유도된 양성자 및 중성자에 대한 스핀-독립 산란을 통한 직접 탐지 제약 조건 평가하기 위해.
• 비열적 다크 매터 생성 시나리오 하에서 간접 탐지 신호 평가하기 위해.
• 표준모형 입자 및 힉스와의 결합을 통해 LHC에서 이방성 편율 복합 스칼라의 신호 유도하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SU(4)×SU(4)/SU(4) 모델에서 주로 게이지 단일체인 복합 다크 매터 후보의 타당한 질량 범위는 무엇인가요?
• RQ2 다크 매터 후보의 잔류 밀도는 그 질량과 혼합 매개변수에 따라 어떻게 달라지나요?
• RQ3 현재의 직접 탐지 실험은 이 복합 다크 매터 시나리오에 얼마나 민감한가요?
• RQ4 LHC에서 이방성 편율 복합 스칼라를 발견할 가능성은 어떠한가요?
• RQ5 어떤 조건에서 간접 탐지가 모델에 대한 보완적 제약 조건을 제공할 수 있나요?

주요 결과

• 복합 다크 매터 후보의 선호 질량 범위는 500 GeV에서 몇 테바볼트 이하이며, 열적 동결-아웃과 단일체 지배 원칙과 일치한다.
• 직접 탐지 실험은 1 테바볼트 이상의 다크 매터 질량을 이미 배제하고 있으며, 매개변수 공간에 강력한 제약 조건을 가한다.
• 다크 매터가 비열적으로 생성되지 않는 한 간접 탐지는 관련이 없으며, 대부분의 매개변수 공간에서 열적 생성은 과잉 밀도를 초래한다.
• 이 모델은 Higgs 및 SM 게이지 보손과의 결합을 통해 LHC에서 관측 가능한 이방성 복합 스칼라의 신호를 예측한다.
• 힉스와 다크 매터는 동일한 강한 동역학에서 유래한 준가우시-골드스톤 보존(pNGBs)으로서, 전역 대칭성에 의해 질량이 보호된다.
• UV 완전한 게이지- fermion 이론은 효과적 이론의 구체적 실현을 제공하며, pNGB 성분을 기본 페르미온 응집에 연결한다.