[논문 리뷰] Inert Higgs Dark Matter for CDF-II W-boson Mass and Detection Prospects

Yi-Zhong Fan, Tian-Peng Tang외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 07.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 CDF-II W 보손 질량 이상 현상과 타당한 암흑물질 후보를 동시에 설명할 수 있는 통합 프레임워크로 관성 두 개의 힉스 두중항 모형(i2HDM)을 제안한다. $\rm Z_2$-홀드 스칼라 두중항을 도입함으로써, 모형은 W 보손 질량을 증가시켜 CDF-II 측정치와 일치시키는 고리수정 보정을 생성하며, 동시에 가장 가벼운 $\rm Z_2$-홀드 스칼라(S)는 열적 WIMP 암흑물질로 기능한다. 선호되는 암흑물질 질량은 54–74 GeV이며, 잔류 밀도에 대해 세 가지 타당한 영역이 존재한다: $SA$ 공반류, 힉스 공진, $SS\to WW^*$ 붕괴. 각 영역은 향후 고에너지 충돌기 및 직접 탐지 실험으로 검증 가능하다.

ABSTRACT

The $W$-boson mass, which was recently measured at FermiLab with an unprecedented precision, suggests the presence of new multiplets beyond the Standard Model (SM). One of the minimal extensions of the SM is to introduce an additional scalar doublet, in which the non-SM scalars can enhance $W$-boson mass via the loop corrections. On the other hand, with a proper discrete symmetry, the lightest new scalar in the doublet can be stable and play the role of dark matter particle. We show that the inert two Higgs doublet model can naturally handle the new $W$-boson mass without violating other constraints, and the preferred dark matter mass is between $54$ and $74$ GeV. We identify three feasible parameter regions for the thermal relic density: the $SA$ co-annihilation, the Higgs resonance, and the $SS o WW^*$ annihilation. We find that the first region can be fully tested by the HL-LHC, the second region will be tightly constrained by direct detection experiments, and the third region could yield detectable GeV gamma-ray and antiproton signals in the Galaxy that may have been observed by Fermi-LAT and AMS-02.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 예측값($m_W = 80.357 \pm 0.006$ GeV)과 CDF-II 측정값($m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV) 간의 불일치를 해결하기 위해, 이 둘 사이의 7σ 이상의 편차를 설명한다.
• W 보손 질량 이상 현상과 안정적이며 약하게 상호작용하는 암흑물질 후보를 동시에 설명할 수 있는 표준모형의 최소한의 확장 모형을 규명한다.
• 전자약력 정밀도 데이터와 암흑물질 제약 조건을 만족하는 관성 두 개의 힉스 두중항 모형(i2HDM)에서 열적 잔류 밀도에 대한 타당한 매개변수 영역을 탐색한다.
• 향후 고에너지 충돌기 탐색, 직접 탐지 실험, 천체물리 신호(예: GeV 급성 방사선과 반프로톤)를 통한 모형의 탐지 가능성 평가

제안 방법

• 표준모형에 두 번째 스칼라 두중항 $H_2$를 추가하여 $\rm Z_2$ 대칭을 도입함으로써, 가장 가벼운 $\rm Z_2$-홀드 스칼라(S 또는 A)가 안정해지고 암흑물질로 기능할 수 있도록 한다.
• 스칼라 포텐셜은 $\mu_2^2$, $\lambda_2$, $\lambda_3$, $\lambda_4$, $\lambda_5$ 등의 매개변수를 포함하며, 실험 데이터에 의해 고정된 $m_h = 125$ GeV 및 $v = 246$ GeV를 사용한다.
• 기울기 매개변수 $\mathcal{S}$, $\mathcal{T}$, $\mathcal{U}$를 계산하여 W 보손 질량에 대한 수정을 정량화하며, $\Delta m_W^2$ 는 논문의 식 (1)로부터 유도된다.
• 열적 잔류 밀도는 보르츠만 방정식을 사용해 계산되며, $SA$ 공반류, 힉스 공진, $SS\to WW^*$ 과정을 통해 확대된 붕괴 단면적을 고려한다.
• PDG2020 및 전체 전자약력 정밀도 시험(EWPT2022)의 가능성 함수, CDF-II의 $m_W$ 측정치를 포함하여 타당한 매개변수 공간을 제약한다.
• FERMI-LAT 및 AMS-02 데이터를 사용하여 GeV 급성 방사선과 반프로톤 유량 등의 천체물리 신호의 탐지 가능성 평가

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관성 두 개의 힉스 두중항 모형(i2HDM)은 기존 제약 조건을 위반하지 않으면서 CDF-II W 보손 질량 측정치와 타당한 열적 WIMP 암흑물질 후보를 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 CDF-II $m_W$ 제약 조건 하에서 i2HDM에서 관측된 열적 잔류 밀도를 재현할 수 있는 선호되는 암흑물질 질량과 붕괴 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 기울기 매개변수 $\mathcal{S}$, $\mathcal{T}$, $\mathcal{U}$는 i2HDM에서 새로운 스칼라의 질량 스펙트럼을 어떻게 제약하여 W 보손 질량 이상 현상을 재현하는가?
• RQ4 $SA$ 공반류, 힉스 공진, $SS\to WW^*$ 중 어느 하나의 붕괴 채널이 현재 및 향후 실험에 가장 타당하고 검증 가능할까?
• RQ5 CDF-II 데이터를 포함한 전체 전자약력 정밀도 시험(EWPT2022) 가능성 함수의 포함이 i2HDM 매개변수 공간의 타당성과 제약 조건에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• i2HDM는 54–74 GeV 범위의 선호되는 암흑물질 질량를 통해 CDF-II W 보손 질량 이상 현상을 자연스럽게 설명할 수 있으며, 관측된 $m_W$ 편차와 일관된다.
• $SA$ 공반류 영역은 고광도 Large Hadron Collider에서 다중 레프톤과 빈도 에너지 신호를 통해 완전히 검증 가능하다.
• 히iggs 공진 영역은 특히 큰 스핀-독립 산란 단면적 때문에 직접 탐지 실험에 의해 엄격히 제약된다.
• $SS\to WW^*$ 붕괴 채널은 탐지 가능한 GeV 급성 방사선 및 반프로톤 신호를 생성할 수 있으며, 이는 기존의 Fermi-LAT 및 AMS-02 천체물리 관측 결과를 설명할 수 있다.
• 전체 EWPT2022 가능성 함수를 포함함으로써 CDF-II $m_W$ 측정치만을 사용한 경우보다 약간의 제약이 완화되지만, 선호되는 매개변수 공간은 여전히 $m_W$ 이상 현상과 일치한다.
• W 보손 질량을 재현하기 위해 $\mathcal{S} \leq 0.025$ 및 $\mathcal{T} \geq 0.07$ 가 필요하며, $\mathcal{U}$ 는 열등한 기여를 하며, $\mathcal{T}$ 를 최대화하기 위해 $H^\pm$ 이 S와 A보다 무겁도록 하는 것이 유리하다.