[논문 리뷰] The funnel annihilations of light dark matter and the Higgs invisible decay

Kun Wang, Jingya Zhu|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 03.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 반경량 제약 없는 NMSSM에서 빛인 다크 매터(LSP)를 연구하며, 정확한 잔류 밀도를 재현할 수 있는 네 가지 터널-결합 메커니즘—$h_2$, $Z$, $h_1$, 및 $a_1$—를 규명한다. 이들 메커니즘에 따르면, 비가시 힉스 붕괴는 $h_1/a_1$ 터널의 경우 최대 2%로 제한되며, $Z$ 및 $h_2$ 터널의 경우 각각 최대 1%로 제한된다. 이는 헬스-라이트 라이트 하이퍼링크 실험(HL-LHC)에서 비가시 힉스 붕괴가 발견될 경우, LSP가 유일한 다크 매터 성분이라면 네 가지 메커니즘 모두를 배제할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The semi-constrained NMSSM (scNMSSM), or NMSSM with non-universal Higgs masses, can naturally predict a light dark matter under current constraints including Higgs data, sparticle-mass bounds, dark matter searches, and muon g-2, etc. In this work, we take this scenario of scNMSSM as an example to study the funnel-annihilation mechanisms of light dark matter ($1\! hicksim\!62$ GeV) and the invisible Higgs decay. In this scenario we found that: (i) There can be four funnel-annihilation mechanisms for the LSP $ ilde{\chi}^0_1$, which are the $h_2$, $Z$, $h_1$ and $a_1$ funnel. (ii) For the $h_1$ and $a_1$ funnel with right relic density, the $ ilde{\chi}^0_1$ mass is lighter than 12 GeV, and the invisible Higgs decay can be $2\%$ at most. (iii) For the $h_2$ and $Z$ funnel with right relic density, the invisible Higgs decay can be about $0.4\%$ and $1\%$ respectively at most. (iv) If the invisible Higgs decay was discovered at the HL-LHC, the four funnel-annihilation mechanisms of light dark matter may be all excluded with $ ilde{\chi}^0_1$ as the only dark matter source. Four benchmark points, one for each mechanism, are proposed for future checking with updated experimental results.

연구 동기 및 목표

• 현재의 실험적 제약 조건 하에서 반경량 다크 매터(1–62 GeV)가 반경량 제약 없는 NMSSM에서 타당한지 조사하기 위해.
• 이 모델에서 가장 가벼운 초대칭 입자(LSP)에 대한 모든 가능한 터널-결합 붕괴 메커니즘을 규명하고 분석하기 위해.
• 잔류 밀도 및 기타 제약 조건을 만족시키는 동안 각 붕괴 채널이 허용하는 최대 비가시 힉스 붕괴 분해율을 정량화하기 위해.
• 향후 HL-LHC에서 비가시 힉스 붕괴가 발견될 경우, 이러한 빛인 다크 매터 시나리오의 타당성에 대한 함의를 평가하기 위해.

제안 방법

• Higgs 질량이 비균일한 것을 允허하는 반경량 제약 없는 NMSSM(scNMSSM)를 사용하여, Higgs 데이터와 다크 매터 제약 조건을 더 잘 수용할 수 있도록 한다.
• LHC Higgs 신호 강도, 스파르티클 질량 한계, 다크 매터 직접 및 간접 탐측 한계, 그리고 뮤온의 $g-2$ 측정치를 포함한 실험 데이터에 대한 전반적 피팅을 수행한다.
• 모든 가능한 붕괴 채널을 통해 LSP의 잔류 밀도를 계산하며, 특히 $h_2$, $Z$, $h_1$, 및 $a_1$ 공명에 집중한다.
• Higgs 포털 결합과 질량 차이를 사용하여 각 타당한 시나리오에 대한 비가시 힉스 붕괴 폭 $\Gamma(H \to \text{inv})$ 를 평가한다.
• LHC 및 다크 매터 실험의 제약 조건을 적용하여 허용 가능한 매개변수 영역을 규명한다.
• 향후 실험적 검증을 위해 각 터널 메커니즘에 대해 하나의 벤치마크 포인트를 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 scNMSSM 모델에서 빛인 다크 매터에 대한 타당한 터널-결합 붕괴 메커니즘은 무엇인가요?
• RQ2 정확한 잔류 밀도와 기타 제약 조건을 만족시키는 동안 각 터널-결합 붕괴 채널이 허용하는 최대 비가시 힉스 붕괴 분해율은 얼마인가요?
• RQ3 $h_1$ 및 $a_1$ 터널 메커니즘은 정확한 잔류 밀도를 재현할 경우 LSP 질량과 비가시 힉스 붕괴를 어떻게 제약하는가요?
• RQ4 만약 비가시 힉스 붕괴가 HL-LHC에서 발견된다면 scNMSSM에 어떤 함의가 있을까요?
• RQ5 비가시 힉스 붕괴의 향후 관측이 네 가지 터널-결합 붕괴 메커니즘을 동시에 배제할 수 있을까요?

주요 결과

• LSP $\tilde{\chi}^0_1$ 에 대해 네 가지 터널-결합 붕괴 메커니즘—$h_2$, $Z$, $h_1$, 및 $a_1$—를 규명하였다.
• $h_1$ 및 $a_1$ 터널에서 정확한 잔류 밀도를 만족시키는 경우, LSP 질량는 12 GeV 이하로 제약되며, 비가시 힉스 붕괴는 최대 2% 이하이다.
• $h_2$ 및 $Z$ 터널에서 정확한 잔류 밀도를 만족시키는 경우, 비가시 힉스 붕괴는 각각 최대 0.4% 및 1% 이하로 제약된다.
• 만약 비가시 힉스 붕괴가 HL-LHC에서 발견된다면, LSP가 유일한 다크 매터 기여 성분이라면 네 가지 터널-결합 붕괴 메커니즘 모두가 배제된다.
• 향후 실험적 검증을 위해 각 터널 메커니즘에 대해 하나의 벤치마크 포인트를 제안하였다.
• 현재 제약 조건 하에서는 모델이 타당하지만, 향후 힉스 데이터는 이러한 터널 메커니즘을 통해 전체 빛인 다크 매터 시나리오를 배제할 수 있다.