[논문 리뷰] The Higgs-portal for Dark Matter:effective field theories versus concrete realizations

Giorgio Arcadi, A. Djouadi외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 07.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 92인용 수 39

한 줄 요약

이 논문은 스칼라, 페르미온성, 벡터 DM 시나리오에서 우주론적 완전한 이론(UV-complete) 실현과 비교하여 효과적 힉스 포털 모델의 타당성을 평가한다. 효과적 필드 이론(EFT) 접근법은 추가 스칼라 상태가 무거울 경우에 한해 강력하고 일관되게 유지되며, 특히 LHC에서의 투명한 힉스 붕괴 탐색에 유용하다. 그러나 재현 밀도 제약 조건은 비열역학적 메커니즘을 도입하지 않는 한 좁은 영역에서의 적용 가능성을 제한한다.

ABSTRACT

Higgs-portal effective field theories are widely used as benchmarks in order to interpret collider and astroparticle searches for dark matter (DM) particles. To assess the validity of these effective models, it is important to confront them to concrete realizations that are complete in the ultraviolet regime. In this paper, we compare effective Higgs-portal models with scalar, fermionic and vector DM with a series of increasingly complex realistic models, taking into account all existing constraints from collider and astroparticle physics. These complete realizations include the inert doublet with scalar DM, the singlet-doublet model for fermionic DM and models based on spontaneously broken dark SU(2) and SU(3) gauge symmetries for vector boson DM. We also discuss the simpler scenarios in which a new scalar singlet field that mixes with the standard Higgs field is introduced with minimal couplings to isosinglet spin--$0, \frac12$ and 1 DM states. We show that in large regions of the parameter space of these models, the effective Higgs-portal approach provides a consistent limit and thus, can be safely adopted, in particular for the interpretation of searches for invisible Higgs boson decays at the LHC. The phenomenological implications of assuming or not that the DM states generate the correct cosmological relic density are also discussed.

연구 동기 및 목표

• UV-완전한 이론에 비추어 효과적 힉스 포털 모델의 타당성을 평가하기 위해.
• 스칼라, 페르미온성, 벡터 DM의 경우에 대해 효과적 이론(EFT) 예측이 실제 반분해 가능한 UV 완성 이론과 충돌할 때도 일관성이 유지되는지 조사하기 위해.
• 특히 투명한 힉스 붕괴와 재현 밀도에 관해 효과적 이론이 어두운 물질 물리학을 정확히 기술할 수 있는 조건을 규명하기 위해.
• 경량 스칼라 매개체에 의존하지 않고도 관측된 천체물리적 어둠의 물질 재현 밀도를 자연스럽게 달성할 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 스칼라, 페르미온성, 벡터 DM에 대한 효과적 힉스 포털 모델을 각각 관찰 가능한 힉스 이중체(스칼라), 싱เก트-드ับ렛 모델(페르미온성), 어둠의 U(1), SU(2), SU(3) 게이지 모델(벡터 DM)로 구성된 UV-완전 실현과 비교한다.
• LHC의 투명한 힉스 붕괴 탐색, 직접 탐측(XENON1T, XENONnT, DARWIN), 그리고 재현 밀도 측정(Planck)에서의 제약 조건을 분석한다.
• 이론적 일관성 평가를 위해 페르투르브레이션 단위성과 반분해 가능성을 기준으로 EFT의 타당성을 평가한다.
• 모델의 매개변수 공간을 스캔하여 EFT 예측이 UV-완성된 이론의 결과와 일치하는지 평가한다.
• 추가 스칼라 상태(예: 표준모형 힉스와의 혼합)가 가벼울 경우 EFT 타당성이 어떻게 손상되는지 검토한다.
• 어둠의 물질 성분 혼합(예: 벡터 + 불안정한 Ψ)이 입자 충돌 및 직접 탐측 관측량에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 추가 스칼라 상태가 무거울 경우에 한해 효과적 힉스 포털 모델이 UV-완전한 DM 이론에 대해 타당한 근사가 유지되는 조건은 무엇인가?
• RQ2 경량 스칼라 매개체가 필요 없이도 관측된 천체물리적 재현 밀도는 UV-완전한 모델에서 자연스럽게 달성될 수 있는가?
• RQ3 투명한 힉스 붕괴와 직접 탐측에서 EFT의 현상물리적 예측은 UV-완성된 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 추가 벡터 또는 스칼라 상태가 EFT 한계를 손상시키는 역할은 무엇이며, 언제 안전하게 忽略할 수 있는가?
• RQ5 다중 어둠의 물질 성분(예: SU(3) 어둠의 섹터)이 있는 모델에서 EFT 기술이 여전히 주요 입자 충돌 물리학을 잘 기술할 수 있는가?

주요 결과

• 추가 스칼라 상태가 무거운(테바라ange) 경우에 한해, 효과적 힉스 포털 접근법은 스칼라, 페르미온성, 벡터 DM 모델 전반에서 일관된 근사로 유지되며, LHC의 투명한 힉스 붕괴 탐색에 활용될 수 있음을 검증한다.
• 벡터 DM의 경우, SU(3) 어둠의 게이지 군 모델은 안정한 벡터 DM과 더 가벼운 불안정한 Ψ 상태를 동시에 포함할 수 있으며, 이는 경량 스칼라를 요구하지 않고도 정확한 재현 밀도를 달성할 수 있게 한다.
• SU(3) 모델에서 DM과 Ψ 상태는 질량이 가까워서 입자 충돌 탐색에서는 단일 효과적 상태로 간주되며, 이는 EFT의 일관성을 유지한다.
• 스칼라 힉스 포털은 어둠의 물질-핵자 산란 단면적에서 상쇄 메커니즘이 발생함으로써 타당한 EFT 근사로 기능하지 못한다.
• 페르미온성 및 벡터 DM의 경우, EFT의 타당성이 손상되는 것은 추가 스칼라 매개체가 가벼울 경우에만 발생하며, 이는 단위성과 실험 제약 조건에 의해 배제된다.
• 직접 탐측과 투명한 힉스 붕괴 상관관계에 있어서 효과적 이론은 안정하다. 다만 힉스 피크나 경량 어둠의 물질 영역 등 좁은 영역에서는 재현 밀도 제약 조건이 비열역학적 어둠의 물질 생성 또는 경량 스칼라를 요구하므로 예외가 발생한다.