[논문 리뷰] Direct detection of pseudo-Nambu-Goldstone dark matter in a two Higgs doublet plus singlet extension of the SM

Thomas Biekötter, Pedro Gabriel외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 복소 스칼라 레지스터로 확장된 두 히iggs 두중자 모형(S2HDM)에서, 다크 매터가 페시도-나무버그-골드스톤 보손임을 가정할 때 다크 매터-핵자 산란에 대한 1-루프 양자전자역학 보정을 계산한다. U(1) 대칭성으로 인해 트리 수준에서의 반응 단면적이 0이 되지만, 루프 보정으로 인해 비제로의 산란 확률이 발생하며, 향후 직접 탐지 실험인 Darwin은 특히 스칼라 레지스터의 히iggs 질량과 U(1) 대칭성의 깨짐으로 인한 진공 기대값이 유사할 경우, 타당한 매개변수 공간의 상당 부분을 탐색할 것으로 예상된다.

ABSTRACT

We calculate the leading radiative corrections to the dark-matter-nucleon scattering in the pseudo-Nambu-Goldstone dark matter model augmented with a second Higgs doublet (S2HDM). In this model, the cross sections for the scattering of the dark-matter on nuclei vanishes at tree-level in the limit of zero momentum-transfer due to a U(1) symmetry. However, this symmetry is softly broken in order to give a mass to the dark-matter particle. As a consequence, non-vanishing scattering cross sections arise at the loop level. We find that the current cross-section limits from dark-matter direct-detection experiments can hardly constrain the parameter space of the S2HDM. However, the loop-corrected predictions for the scattering cross sections can be well within the reach of future direct-detection experiments. As a consequence, future phenomenological analyses of the S2HDM should take into account cross-section predictions beyond tree-level and the experimental constraints from dark-matter direct-detection experiments.

연구 동기 및 목표

• 복소 스칼라 필드로 확장된 두 히iggs 두중자 모형에서 다크 매터-핵자 산란에 대한 주요 반사 보정을 조사하기 위해.
• S2HDM에서 페시도-나무버그-골드스톤 다크 매터를 가정할 때 현재 또는 향후 직접 탐지 실험들이 매개변수 공간을 제약할 수 있는지 평가하기 위해.
• U(1) 대칭성으로 인해 트리 수준에서 억제되는 상황에서도 루프 보정이 비제로의 산란 단면적을 어떻게 생성하는지 규명하기 위해.
• 다양한 모형 유형(I, II, LS, F)에서 쿼크 종류와 요카다 구조에 따라 산란 진폭이 어떻게 달라지는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 모형은 표준모형에 두 히iggs 두중자와 복소 스칼라 레지스터를 추가하여, 전역 U(1) 대칭성을 부드럽게 깨어 다크 매터 입자에 질량을 부여한다.
• 다크 매터 후보는 스칼라의 허수부에서 기인하며, 실수부는 진공 기대값을 얻고 CP-짝성 히iggs 상태들과 혼성된다.
• 트리 수준에서의 산란 진폭은 U(1) 대칭성으로 인해 영동량 전달 근처에서 0이 되지만, 1-루프 전자역학 보정으로 비제로의 단면적이 생성된다.
• 1-루프 보정은 효과적 라그랑지안 접근법을 사용하여 계산되며, 진폭은 t-채널에서의 히iggs 교환으로 유도된다.
• 이론적 제약(진공 안정성, 정규화 조건)과 실험적 제약(Higgs 섹터, 다크 매터 잔류 밀도) 하에 전체 매개변수 스캔을 수행한다.
• 결과는 현재(XENON1T, PandaX-4T, LZ) 및 향후(Darwin) 직접 탐지 감도와 비교된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 트리 수준에서의 억제에도 불구하고, S2HDM에서 1-루프 전자역학 보정이 관측 가능한 다크 매터-핵자 산란 단면적을 생성할 수 있는가?
• RQ2 현재 및 향후 직접 탐지 실험들이 S2HDM 매개변수 공간의 어느 영역을 탐색할 수 있는가?
• RQ3 S2HDM에서 산란 진폭은 요카다 유형(I, II, LS, F)과 쿼크 종류에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 산란 단면적 크기를 결정하는 데 있어 mhS/vS 비율의 역할은 무엇인가?
• RQ5 관측된 다크 매터 잔류 밀도와 일치하는 매개변수 점 중 향후 실험에서 탐색 가능한 점이 존재하는가?

주요 결과

• 현재의 직접 탐지 실험(XENON1T, PandaX-4T, LZ)은 관측된 다크 매터 잔류 밀도와 일치하는 S2HDM의 타당한 매개변수 점을 어느 것도 탐색하지 못한다.
• 향후 실험인 Darwin은 다크 매터-핵자 산란 단면적이 루프 유도인 영역의 상당 부분을 탐색할 것으로 예상된다.
• mhS/vS 비율이 강하게 계단형이 아닐 경우, 루프 보정 단면적이 감지 가능한 정도로 충분히 클 수 있다. 여기서 mhS는 스칼라 성분이 가장 큰 혼성도를 갖는 히iggs 보손의 질량이며, vS는 U(1) 대칭성 깨짐으로 인한 진공 기대값이다.
• 다양한 요카다 결합의 구조로 인해 산란 진폭은 쿼크 종류에 따라 달라지며, 이는 서로 다른 핵에 대한 산란을 통해 모형 간의 구별 가능성을 제공할 수 있다.
• 모형 I과 모형 II 간에 도달 가능한 최대 산란 단면적 또는 접근 가능한 매개변수 공간에서의 유의미한 차이는 발견되지 않았다.
• 트리 수준에서의 산란 부재와 비제로의 루프 보정 존재는 일관성 검증(영동량 전달 근처에서의 진폭이 0이 되는 것, 보정항이 필요 없음)을 통해 확인되었다.