[논문 리뷰] Inert Doublet Model with a 125 GeV Higgs

Maria Krawczyk, Dorota Sokołowska외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 04. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 타당한 확장으로서 125 GeV 힉스 보존과 안정된 중성 스칼라 어두운 물질 후보를 수용하는 인ert 더블렛 모형(IDM)을 조사한다. 이 모형에서는 힉스 보존의 이중 광자 붕괴 비율 향상이 은폐 붕괴가 차단된 경우에만 가능하며, 이는 어두운 물질과 채워진 스칼라의 질량이 154 GeV 이하일 경우에만 성립한다. 또한 XENON-100 제약 조건과 정확한 잔류 밀도를 만족하는 강한 1차 전이를 가진 매개변수 영역을 규명한다.

ABSTRACT

A 125 GeV Higgs-like particle discovered at the LHC in 2012 has properties expected for it in the Standard Model (SM), with a possible enhancement in the two-photon channel. Such SM-like Higgs scenario can be realized within the Inert Doublet Model (IDM) - a version of the Two Higgs Doublet Model with an exact discrete D (Z_2-type) symmetry. In this model one SU(2) doublet plays the role of the SM Higgs doublet with one SM-like Higgs boson. The second doublet has no vacuum expectation value and does not interact with fermions. Among four scalars constituting this D-odd doublet the lightest one is stable, being if neutral a good DM candidate with the right relic density. In this paper an analysis of the two-photon Higgs decay rate in IDM, respecting theoretical and other experimental constraints, is presented. The enhancement in the two-photon channel is possible only if invisible channels are closed, with the enhancement R_{γγ}>1.2 for masses of DM and charged scalars below 154 GeV. The temperature evolution of the Universe to the Inert phase (described by the IDM) in T^2 approximation is presented and all possible sequences of phase transitions in one, two and three steps are analyzed. Going beyond this approximation by using an effective potential approach with one-loop T=0 Weinberg-Coleman term and temperature dependent effective potential at T ot =0 we address the question, whether the strong first-order phase transition needed for baryogenesis can be realized in IDM. A region with a good DM relic density and a strong first-order phase transition is established, and discussed in the light of the XENON-100 data.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 발견된 125 GeV 힉스 보존의 실현으로서 인트 더블렛 모형(IDM)을 탐색한다.
• 이론적 및 실험적 제약 조건 하에서 IDM에서 힉스 보존의 이중 광자 붕괴 비율(h→γγ) 향상 가능성을 분석한다.
• IDM이 전이 물질 생성에 필수적인 강한 1차 전이 전자기 상전이를 지원할 수 있는지, 동시에 정확한 어두운 물질 잔류 밀도를 유지할 수 있는지 판단한다.
• IDM이 XENON-100 직접 탐지 데이터와 얼마나 호환되는지 평가하며, 특히 h-HH 결합에 초점을 맞춘다.

제안 방법

• 연구는 인ert 더블렛이 진공 기대값을 얻지 못하고 가장 가벼운 스칼라가 안정해지도록 보장하는 Z₂ 유형의 이산 대칭을 가진 D-대칭 이중 힉스 더블렛 모형(2HDM)을 사용한다.
• T² 근사 이외의 효과적 포텐셜 접근법을 사용하며, 일계 순환 온도 보정(Coleman-Weinberg 항)과 고리 다이어그램에서 기인한 온도 의존 기여를 포함한다.
• 전이 시 послед의 분석은 (μ₁, μ₂) 매개변수 평면에서 수행되며, 한 단계, 두 단계, 세 단계 전이 영역을 식별하고, 특히 표준모형 유사 상에서 인트 상으로의 전이에 주목한다.
• 어두운 물질 후보의 잔류 밀도는 수치적으로 계산되어 관측된 천체물리적 값과 일치함을 보장한다.
• 히iggs 보존의 이중 광자 붕괴 비율은 양성자 및 중성 스칼라를 포함한 루프 보정을 사용하여 평가되며, LHC 및 XENON-100의 제약 조건을 고려한다.
• 전자기 상전이의 강도는 조건 v(T_EW)/T_EW > 1을 통해 정량화되며, 이는 강한 1차 전이를 나타낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인트 더블렛 모형은 LHC 데이터와 일치하는 125 GeV 힉스 보존과 함께 강화된 이중 광자 붕괴 비율을 설명할 수 있는가?
• RQ2 IDM에서 전이 물질 생성에 필수적인 강한 1차 전이 전자기 상전이가 이루어지기 위한 조건은 무엇인가?
• RQ3 IDM의 어떤 매개변수 영역에서 정확한 어두운 물질 잔류 밀도를 확보하면서 XENON-100 실험 제약 조건을 만족하는가?
• RQ4 초기 우주에서 IDM의 상전이 역사가 T² 근사 이외의 영역에서 어떻게 진행되는가?
• RQ5 h-HH 결합(λ₃₄₅)은 강화된 h→γγ 붕괴를 매개하는 데 어떤 역할을 하는가? 그리고 어두운 물질 질량과 직접 탐지 제약 조건과의 상호작용은 어떠한가?

주요 결과

• 은폐 붕괴가 운동역학적으로 차단된 경우에만 힉스의 이중 광자 붕괴 비율 향상(Rγγ > 1.2)이 가능하며, 이는 어두운 물질과 채워진 스칼라 질량이 154 GeV 이하여야 함을 의미한다.
• 정확한 어두운 물질 잔류 밀도를 확보하고, 전자기 상전이가 강력한(v(T_EW)/T_EW > 1) 정도로 충분히 강한 영역이 IDM 매개변수 공간에 존재한다.
• 어두운 물질 질량이 65 GeV일 경우, 동등한 조건을 가정할 때 더 무거운 어두운 스칼라(A 및 H±)의 허용 질량 범위는 275에서 380 GeV 사이이다.
• XENON-100 직접 탐지 데이터와 일치하기 위해 λ₃₄₅ 결합 상수는 0.1 이하여야 하며, 특히 65 GeV 어두운 물질 후보에 대해 그렇다.
• 허용된 매개변수 영역에서 상전이는 표준모형 유사 상에서 인트 상으로의 단일 단계 전이로 진행되며, 다단계 전이의 가능성은 배제된다.
• 모델은 내재된 CP 위반 없이도 관측된 힉스 성질과 어두운 물질 밀도와 호환되는 강한 1차 상전이를 지원한다.