[논문 리뷰] Majorana Dark Matter in Minimal Higgs Portal Models after LUX

Maíra Dutra, C. A. de S. Pires외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 45인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 스칼라 보존자와 쿼라를 포함한 최소한의 힉스 포털 모형에서 암흑 물질로써의 비활성 메이조라나 페르미온을 연구한다. 이 모형은 Z₂ 대칭에 의해 안정화되며, 렙톤 수를 위반하는 복소 스칼라 싱เก터와 결합되어 있다. 관측된 암흑 물질 잔류 밀도와 일치하기 위해 렙톤 수 위반 스케일은 100–2000 GeV여야 하며, 특히 스칼라 공진점 근처와 작은 혼합 각도에서 LUX 및 XENON1T 직접 탐지 제약 조건을 회피할 수 있는 타당한 매개변수 영역을 규명한다.

ABSTRACT

We consider the Singlet Majorana fermion dark matter model, in which the standard model particles interact with the dark sector through the mixing of a singlet scalar and the Higgs boson. In this model both the dark matter and the singlet scalar carry lepton number, the latter being a bilepton. We suppose the existence of a $Z_2$ symmetry, remnant of some high energy local symmetry breaking, that stabilizes the Majorana fermion. We analyzed the parameter space of this model and found that the lepton number symmetry breaking scale, drove by the singlet scalar, is constrained to be within hundreds to thousands of GeV, so as to conform with the observed dark matter relic density. Finally, we address the direct detection and invisible Higgs decay complementarity, confronting our model with recent LUX and LHC constraints, as well as XENON1T prospects.

연구 동기 및 목표

• 비활성 메이조라나 페르미온이 복소 싱게터 스칼라를 포함한 최소한의 힉스 포털 모형에서 암흑 물질로 가능성이 있는지 조사한다.
• 최근 LUX, XENON1T 및 비가시 힉스 붕괴 데이터를 사용하여 렙톤 수 위반 스케일과 혼합 각도를 제약한다.
• 직접 탐지와 비가시 힉스 붕괴 간의 상호보완성을 통해 모형의 매개변수 공간을 탐색한다.
• 플랑크 잔류 밀도 및 실험적 제약 조건과 일치하는 매개변수 공간의 영역을 규명한다.
• 히긴스 자기결합 측정을 통한 향후 고에너지 충돌기에서의 모형 탐지 가능성 평가

제안 방법

• 비가역적 CP를 보존하는 힉스 포털 모형을 도입하며, 비활성 메이조라나 페르미온과 복소 싱게터 스칼라 장을 포함한다.
• 메이조라나 페르미온을 암흑 물질 후보로 안정화하기 위해 Z₂ 대칭을 도입한다.
• 싱게터 스칼라가 진공 기대값(vacuum expectation value, vev)을 얻으며 렙톤 수 위반을 일으키고, 페르미온의 메이조라나 질량을 생성한다.
• 표준 모형 입자와의 상호작용 강도를 표준 모형 힉스와 싱게터 스칼라 간의 혼합 각도 α로 매개변수화한다.
• 모형의 네 개의 자유 매개변수인 $M_N$, $M_S$, α, $v_\sigma$ (렙톤 수 위반 스케일)에 대한 전반적인 피팅을 수행한다.
• 플랑크(잔류 밀도), LUX(직접 탐지), XENON1T(미래의 직접 탐지), 그리고 LHC에서의 비가시 힉스 붕괴에 기반한 제약 조건을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 암흑 물질 잔류 밀도를 재현하기 위해 렙톤 수 위반 스케일 $v_\sigma$의 허용 범위는 무엇인가?
• RQ2 LUX 및 XENON1T의 직접 탐지 제약 조건은 메이조라나 암흑 물질의 타당한 매개변수 공간을 어떻게 형성하는가?
• RQ3 매개변수 공간의 어떤 영역에서 모형이 현재 및 향후 직접 탐지 제약 조건을 회피할 수 있으며, 특히 공진점 근처에서 어떻게 되는가?
• RQ4 비가시 힉스 붕괴 비율은 혼합 각도와 $v_\sigma$ 값에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ5 특히 힉스 자기결합과 스칼라 질량 계열에 관해 고에너지 충돌기 탐색에 어떤 함의가 있는가?

주요 결과

• 플랑크 데이터로부터 관측된 암흑 물질 잔류 밀도를 재현하기 위해 렙톤 수 위반 스케일 $v_\sigma$는 100 GeV에서 2 TeV 사이에 있어야 한다.
• 작은 혼합 각도(α = 0.2)일지라도 비가시 힉스 붕괴 제약 조건으로 인해 $v_\sigma = 500$ GeV는 배제된다. 반면 $v_\sigma = 1$–2 TeV는 여전히 타당하다.
• 모델에서 $M_N = 1$ TeV일 경우, LUX는 혼합 각도를 $\alpha \lesssim 0.3$로 제약하고, 향후 XENON1T 제약은 $\alpha \lesssim 0.05$로 더욱 강화된다.
• 만약 $M_S = 1$ TeV일 경우, $M_N \sim 60$ GeV 영역은 XENON1T에 의해 배제되며, 혼합 각도는 $\alpha \lesssim 0.1$로 제약된다.
• 스칼라가 질량이 동일한 경우와 작은 혼합 각도($\alpha \lesssim 0.1$)는 현재 및 향후 직접 탐지 제약 조건을 모두 회피할 수 있다.
• 공진점 근처인 $M_N \sim M_S$ 영역은 현재 실험으로는 제약을 받지 않지만, 향후 XENON1T 데이터에 매우 민감하다.