[논문 리뷰] Singlet fermionic dark matter as a natural higgs portal model

Yeong Gyun Kim, Kang Young Lee외 1명|ArXiv.org|2008. 09. 16.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 디랙 페르미온이 싱게트럴 스칼라 포털을 통해 표준모형과 상호작용함으로써 자연스럽게 약한 상호작용을 하는 거대입자(WIMP)로 행동할 수 있는 재정규화 가능한 싱게트럴 페르미온 어두운 물질 모형을 제안한다. 이 모형은 위안프로브(WMAP)에서 관측된 잔류 밀도를 성공적으로 재현하며, 향후 초-CDMS와 같은 실험에서 측정 가능한 직접 탐지 단면적을 예측한다.

ABSTRACT

We propose a renormalizable model of a fermionic dark matter by introducing a gauge singlet Dirac fermion and a real singlet scalar. The bridges between the singlet sector and the standard model sector are only the singlet scalar interaction terms with the standard model Higgs field. The singlet fermion couples to the standard model particles through the mixing between the standard model Higgs and singlet scalar and is naturally a weakly interacting massive particle (WIMP). The measured relic abundance can be explained by the singlet fermionic dark matter as the WIMP within this model. Collider implication of the singlet fermionic dark matter is also discussed. Predicted is the elastic scattering cross section of the singlet fermion into target nuclei for a direct detection of the dark matter. Search of the direct detection of the dark matter provides severe constraints on the parameters of our model.

연구 동기 및 목표

• 표준모형의 최소적이고 재정규화 가능한 확장으로, 게이지 싱게트럴 디랙 페르미온과 실수 싱게트럴 스칼라를 포함하는 냉각 어두운 물질 후보자로 유력한 모형을 제안한다.
• 싱게트럴 스칼라 포털을 통한 허그스 보손과의 혼합을 통해 페르미온 어두운 물질이 자연스럽게 WIMP로 행동하도록 보장한다.
• 위안프로브(WMAP)에서 측정한 천체의 잔류 밀도를 재현한다.
• 레프2 허그스 제약 조건을 사용하여 모형을 제약하고 직접 탐지 신호를 예측한다.
• 현재 실험으로는 제약을 받지 않지만 향후 직접 탐지 실험에서 접근 가능한 타당한 매개변수 영역을 규명한다.

제안 방법

• 게이지 싱게트럴인 실수 싱게트럴 스칼라 $S$와 디랙 페르미온 $\psi$를 포함하는 은밀한 섹터를 도입하며, 페르미온 수를 보존하고 표준모형 페르미온과 직접 결합을 금지하기 위해 $Z_2$-유사 대칭을 도입한다.
• 재정규화 가능한 상호작용 $\mathcal{L}_{\text{int}} = -\lambda_1 H^\dagger H S - \lambda_2 H^\dagger H S^2$를 통해 허그스 포털을 구현함으로써 $S$가 표준모형 허그스 보손과 혼합할 수 있도록 한다.
• 스칼라 질량 행렬식을 대각화하여 두 개의 물리적 허그스 상태인 $h_1$ (표준모형 유사)와 $h_2$ (싱게트럴 유사)를 도출하고, 혼합 각도 $\theta$를 구한다.
• 허그스 혼합과 $S$에 대한 $g_S$ 결합을 통해 $\psi$가 표준모형 입자와 효과적으로 상호작용하는 코어를 유도한다.
• 냉각 공식을 사용하여 열적 잔류 밀도를 계산한다: $\Omega_\psi h^2 \approx \frac{1.07 \times 10^9 x_F}{\sqrt{g_*} M_{\text{pl}} \langle \sigma_{\text{ann}} v_{\text{rel}} \rangle}$, 이는 위안프로브 제약 조건과 일치함을 보장한다.
• 직접 탐지의 경우 $t$-채널에서 $h_1$/$h_2$의 교환을 통해 스핀-불변 탄성 산란 단면적 $\sigma(\psi p \to \psi p)$를 계산하고, CDMS, Xenon 및 초-CDMS 제약 조건과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 게이지 싱게트럴 디랙 페르미온과 실수 싱게트럴 스칼라를 포함하는 재정규화 가능한 모형이 냉각 어두운 물질의 관측된 잔류 밀도를 재현할 수 있는가?
• RQ2 스칼라 혼합을 통한 허그스 포털이 페르미온 어두운 물질의 직접 탐지 단면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 레프2 허그스 탐색 결과를 고려할 때 어떤 매개변수 영역이 여전히 타당한가?
• RQ4 초-CDMS와 같은 향후 직접 탐지 실험은 모형의 매개변수 영역을 어느 정도 탐색할 수 있는가?
• RQ5 표준모형 유사 허그스와 싱게트럴 유사 허그스 두 개의 허그스 보손이 존재할 경우, 단일 허그스 포털 모형과 비교해 물리학적 현상이 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 이 모형은 광범위한 매개변수 영역에서 위안프로브에서 관측한 잔류 밀도 $0.085 < \Omega_{\text{CDM}} h^2 < 0.119$ 를 성공적으로 재현하며, 특히 $m_\psi \sim 20{-}100$ GeV 범위에서 그러하다.
• $m_{h_1} = 120$ GeV 및 $m_{h_2} = 100$ GeV일 경우, 허용 가능한 매개변수 영역은 $20$ GeV $\leq m_\psi \leq 100$ GeV 및 $10^{-3} \leq g_S \leq 10$이며, $|\theta| \in [0.0015, 0.736]$ 라디안이다.
• 직접 탐지 단면적 예측은 현재의 CDMS 및 Xenon 제약 조건 이하이지만, 향후 초-CDMS 실험에서 측정 가능한 범위에 들어간다.
• 레프2 실험 제약 조건은 모형을 배제하지 않으며, 혼합된 허그스 상태 덕분에 표준 114.4 GeV 제약보다 낮은 효과적 허그스 질량을 허용하기 때문이다.
• 모형은 $m_\psi \sim m_{h_1}/2$ 및 $m_\psi \sim m_{h_2}/2$ 에서 $h_1$ 및 $h_2$의 공명형 소멸에 해당하는 두 개의 소멸 영역을 나타내며, 이는 잔류 밀도 억제를 강화한다.
• $m_\psi \sim 100$ GeV 및 $g_S \sim 0.1$ 인 매개변수 영역에서는 단면적이 $\sim 10^{-9}$ pb로 예측되며, 이는 초-CDMS의 예상 감도와 일치한다.