[논문 리뷰] Reconciling Higgs physics and pseudo-Nambu-Goldstone dark matter in the S2HDM using a genetic algorithm

Thomas Biekötter, María Olalla Olea-Romacho|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 171인용 수 55

한 줄 요약

이 논문은 힉스 보존 섹터 제약 조건을 만족하면서도 허위 노르베르그 골드스톤( pseudo-Nambu-Goldstone, pNG) 다우크 물질(DM)을 실현하는 싱เก틀-확장 이중 힉스 두중자 모형(S2HDM)을 제안한다. 유전적 알고리즘을 사용하여, 이 모형이 측정된 DM 잔류 밀도를 동시에 설명하고, 운동량 억제된 산란에 의해 직접 탐지 제약 조건을 회피하며, 96 GeV LEP 및 CMS 초과 현상까지도 모두 고려할 수 있음을 보여준다. 이는 모든 경우에서 양자역학적 및 진공 안정성 제약 조건을 만족한다.

ABSTRACT

We investigate a possible realization ofpseudo-Nambu-Goldstone (pNG) dark matterin the framework of a singlet-extended 2 Higgsdoublet model (S2HDM). pNG dark matter gainedattraction due to the fact that direct-detectionconstraints can be avoided naturally because of themomentum-suppressed scattering cross sections,whereas the relic abundance of dark matter cannevertheless be accounted for via the usual thermalfreeze-out mechanism. We confront the S2HDM witha multitude of theoretical and experimentalconstraints, paying special attention to thetheoretical limitations on the scalar potential,such as vacuum stability and perturbativity.In addition, we discussthe complementarity between constraintsrelated to the dark matter sector, on theone hand, and to the Higgs sector, on the other hand.In our numerical discussion we explore theHiggs funnel region with dark mattermasses around 60GeV using a genetic algorithm.We demonstrate that the S2HDM can easilyaccount for the measured relic abundance whilebeing in agreement with all relevant constraints.We also discuss whether the so-calledcenter-of-galaxy excesses can beaccommodated,possibly incombination with a Higgsboson at about 96GeV that can be the originof the LEP- and the CMS-excess observed at this massin the $b \bar b$-quark andthe diphoton final state, respectively.

연구 동기 및 목표

• pNG 다우크 물질이 S2HDM 프레임워크 내에서 실현 가능한지 탐색하기.
• 관측된 다우크 물질 잔류 밀도를 엄격한 실험 및 이론적 제약 조건과 조화시키기.
• S2HDM가 LEP 및 CMS 데이터에서 관측된 96 GeV 초과 현상( b¯b 및 이중광자 최종 상태)을 설명할 수 있는지 조사하기.
• 힌스 보존 섹터와 다우크 물질 섹터 간 제약 조건의 상호보완성 평가하기.
• 모델 분석 및 제약 조건 적용을 위한 공개된 파이썬 패키지 s2hdmTools 개발 및 배포하기.

제안 방법

• DM 질량이 약 60 GeV인 힉스 터널 영역을 중심으로 S2HDM 매개변수 공간을 스캔하기 위해 유전적 알고리즘을 사용한다.
• 진공 안정성, 1 TeV 이하의 양자역학적 안정성, 및 4체 상호작용 계수에 대한 트리 수준의 유니타리성 제약 조건을 적용한다.
• LHC 힉스 신호 강도 측정치와의 일치 여부를 테스트하기 위해 HiggsBounds 및 HiggsSignals 패키지를 사용한다.
• 다우크 물질 잔류 밀도 계산 및 자외선 탐지 제약 조건 테스트를 위해 MicrOmegas와 MadDM를 구현한다.
• 모델 분석 및 제약 조건 적용을 자동화하기 위해 s2hdmTools 파이썬 패키지를 활용한다.
• 스칼라 혼합 각도로부터 유도된 회전 행렬을 통해 라그랑지안 매개변수를 물리적 질량과 혼합 각도로 변환한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 pNG 다우크 물질을 갖는 S2HDM는 측정된 다우크 물질 잔류 밀도를 충족하면서도 직접 탐지 제약 조건을 회피할 수 있는가?
• RQ2 pNG 다우크 물질의 특성과 양자역학적 안정성, 진공 안정성을 유지하면서도, LEP의 b¯b 최종 상태 및 CMS의 이중광자 최종 상태에서 관측된 96 GeV 초과 현상을 S2HDM가 설명할 수 있는가?
• RQ3 1 TeV 이하의 양자역학적 안정성 및 진공 안정성 등의 이론적 제약 조건이 pNG DM을 갖는 S2HDM의 실현 가능한 매개변수 공간에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 은하 중심 초과 현상과 반프로톤 초과 현상을 동시에 설명할 수 있는가? 이 경우 기존 천체물리학적 제약 조건을 위반하지는 않는가?
• RQ5 단일 두중자 모형 대비 두 번째 힉스 두중자가 다우크 물질의 붕괴 단면적과 잔류 밀도에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• S2HDM는 모든 이론적 및 실험적 제약 조건을 만족하면서도 측정된 다우크 물질 잔류 밀도(Ωh² = 0.119 ± 0.003)를 성공적으로 재현할 수 있다.
• pNG 다우크 물질의 핵심 특성인 운동량 억제된 다우크 물질-핵자 산란 덕분에 모형은 자연스럽게 직접 탐지 제약 조건을 회피한다.
• 96 GeV인 스팅글-유사 CP-짝성 힉스 보손은 125 GeV 힉스와의 충분한 혼합이 가능할 경우( mχ > m_h125/2 조건 필요), LEP의 b¯b 초과 현상과 CMS의 이중광자 초과 현상을 동시에 설명할 수 있다.
• 모형은 1 TeV 이하에서 여전히 양자역학적으로 안정하며, 무거운 스칼라 질량 차이(H±, A, h2,3)는 약 100 GeV 이내로 제약되어 스펙트럼이 탈착 근사에 가까워진다.
• 실제로 96 GeV 충돌기 초과 현상과 천체선 초과 현상(은하 중심 및 반프로톤 초과)을 동시에 설명할 수는 있지만, 이러한 점들은 자외선 탐지 제약 조건을 위반하는 것으로 나타나 관측적으로 불리하다.
• 연구는 HiggsBounds, HiggsSignals, MicrOmegas, MadDM를 통합한 공개된 파이썬 패키지 s2hdmTools를 제공하여 모델 검증 및 제약 조건 테스트를 자동화한다.