[논문 리뷰] Hiding Scalar Higgs Portal Dark Matter

Wei Chao|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 25.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 복소 스칼라 싱게틀을 가진 힉스 포털 어두운 물질 모형을 제안한다. 여기서 CP-홀드 성분 (a)는 은밀한 $Z_2$ 대칭에 의해 안정화된 어두운 물질 후보이다. CP-짝성 성분 (s)는 삼중항 결합을 통해 표준모형 힉스와 혼합되지만 진공 기대값을 갖지 않아 고체 수준의 직접 탐지가 억제된다. 모형은 유일하게 4차 상호작용 계수를 통해 올바른 잔류 밀도를 달성하며, 이로 인해 직접 탐지 단면적은 룩스 한계보다 2~5개 주기 작게 된다. 따라서 직접 탐지 신호가 없더라도 모형은 타당하다.

ABSTRACT

We investigate a Higgs portal dark matter model by extending the Standard model (SM) with a complex singlet, $S=(s+ia )/\sqrt{2}$, where $a $ is a dark matter candidate and $S$ gets no vacuum expectation value but $s$ mixies with the SM Higgs via a trilinear interaction. We point out an interesting scenario, where only quartic coupling contributes to the dark matter relic abundance and there is no tree level contribution to the direct detection. Numerical analysis shows that the direction detection cross section, which arises at the one-loop level, is about $2\sim 5$ orders below the current LUX bound. Constraints from Higgs measurements as well as collider signatures of the model at the LHC are studied.

연구 동기 및 목표

• 힌스 포털 모형에서 어두운 물질 잔류 밀도의 정확성과 엄격한 직접 탐지 제약 조건 사이의 갈등을 해결하기 위해.
• 진공 이완과 대칭 보호로 인해 고체 수준의 직접 탐지가 금지되는 메커니즘을 제안하기 위해.
• 잔류 밀도가 유일하게 4차 상호작용 계수를 통해 생성될 수 있음을 보여주기 위해, 고체 수준의 산란을 피하기 위해.
• 특히 단일 힉스 채널에서의 LHC에서의 충돌 기반 서브시그니처를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 어두운 물질 후보인 $U(1)$ 대칭에 의해 안정화된 복소 스칼라 싱게틀 $S = (s + ia)/\sqrt{2}$ 를 표준모형에 추가한다.
• 삼중항 결합 $\alpha S H^\dagger H$ 를 도입하여 CP-짝성 성분 $s$ 와 표준모형 힉스를 혼합시키되, $S$ 가 진공 기대값을 갖지 않도록 한다.
• 부분적으로 깨진 $Z_2$ 대칭을 가진 포텐셜을 사용하여, CP-홀드 스칼라 $a$ 는 $Z_2$ 대칭을 유지하지만, $s$ 는 명시적으로 깨지며 질량 분리가 발생하도록 한다.
• ATLAS와 CMS 데이터에 대한 일반적인 힉스 피팅을 수행하여 혼합 각도 $\theta$ 를 제약 조건화하며, $|\theta| < 0.526$ 를 요구한다.
• 잔류 밀도를 유일하게 4차 상호작용 계수 $\lambda_s$ 를 사용하여 계산하고, 한계 수준에서 직접 탐지 단면적을 계산한다.
• 특히 $pp \to 2a + h$ 를 시뮬레이션하여 LHC에서의 충돌 기반 서브시그니처를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 트리 수준의 직접 탐지가 없는 조건에서 힉스 포털 어두운 물질 모형이 올바른 잔류 밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 표준모형 힉스와 CP-짝성 스칼라 싱게틀 사이의 삼중항 혼합 항이 직접 탐지 제약 조건에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이러한 모형에서 직접 탐지 단면적은 얼마나 작아질 수 있으며, 현재의 룩스 한계를 회피할 수 있는가?
• RQ4 특히 단일 힉스 채널에서 LHC에서의 탐지 가능한 충돌 기반 서브시그니처는 무엇인가?
• RQ5 이 모형은 힉스 정밀 측정과 비가시 힉스 붕괴로 제약 조건을 받을 수 있는가?

주요 결과

• 직접 탐지 단면적이 현재의 룩스 한계보다 $2\sim5$ 개 주기 낮게 억제되어, 직접 탐지 실험에 대해 실질적으로 투명해진다.
• 잔류 밀도는 유일하게 4차 상호작용 계수 $\lambda_s$ 를 통해 성공적으로 생성되며, 핵에 대한 산란에 고체 수준의 기여가 없다.
• 히iggs 측정 결과에서 제약 조건을 충족하며, ATLAS와 CMS 데이터에 대한 전반적인 피팅으로부터 혼합 각도 $|\theta| < 0.526$ 로 제약 조건이 설정된다.
• $\sqrt{s} = 13~{\rm TeV}$ LHC에서 $pp \to 2a + h$ 의 생성 단면적은 어두운 물질 질량이 $100~{\rm GeV}$ 일 때 약 $10~{\rm fb}$ 이다.
• 복소 싱게틀의 진공 기대값이 없고, 은밀한 $Z_2$ 대칭이 CP-홀드 성분을 보호함으로써 트리 수준의 직접 탐지가 피한다.
• 직접 탐지 신호가 없더라도 모형은 타당하며, LHC에서 단일 힉스 채널에서의 발견 가능성이 있다.