[논문 리뷰] Two Component Doublet-Triplet Scalar Dark Matter stabilising the Electroweak vacuum

Nabarun Chakrabarty, Rishav Roshan외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 11.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 $SU(2)_L$ 이중체와 $Y=0$ 스칼라 삼중체를 조합한 이중 성분 스칼라 어두운 물질 모형을 제안하며, 성분 간 상호 전환이 관측된 잔류 밀도를 달성하도록 한다. 이 메커니즘은 이중체의 경우 이전에 부족한 밀도를 보였던 '사막 영역'(500 GeV–1 TeV) 내에서 성공적으로 잔류 밀도를 설명함과 동시에, 삼중체의 기여로 전기약력 진공이 플랑크 스케일까지 안정화됨을 보여준다.

ABSTRACT

A two-component scalar DM scenario comprising an additional scalar doublet and a $Y$ = 0 scalar triplet is proposed. Key features of the ensuing dark matter phenomenology are highlighted with emphasis on inter-conversion between the two dark matter components. For suitable choices of the model parameters, we show that such inter-conversion can explain the observed relic abundance when the doublet dark matter component has mass in the \\emph{desert} region while the triplet component has sub-TeV mass. This finding is important in the context of such mass regions known to predict under-abundant relic for the standalone cases of the scalar doublet and triplet. In addition, we also show that the present scenario can stabilise the electroweak vacuum up to the Planck scale in the parameter space responsible for the requisite dark matter observables.

연구 동기 및 목표

• 이중체 모형의 '사막 영역'(500 GeV–1 TeV)에서 어두운 물질의 붕괴가 과도하게 강할 때 발생하는 잔류 밀도 부족 문제를 해결하기 위해.
• Y=0 스칼라 삼중체가 전기약력 진공을 플랑크 스케일까지 안정화시킬 수 있는지 탐색하며, 이중체의 어두운 물질 역할을 보완한다.
• 개별 성분이 부족한 밀도를 보일지라도 상호 전환을 통해 정확한 잔류 밀도를 달성할 수 있는 타당한 이중 성분 어두운 물질 시나리오를 구축하기 위해.
• 관측된 잔류 밀도와 진공 안정성 둘 다 동시에 만족하는 매개변수 영역을 규명하기 위해.

제안 방법

• 이중체와 $Y=0$ 스칼라 삼중체로 구성된 이중 성분 어두운 물질 모형을 도입하며, 둘 다 표준모형 힉스와 포털 결합을 통해 상호작용한다.
• 스칼라 포텐셜 내의 혼합 항 $\lambda_{\Phi T}$ 를 통해 이중체와 삼중체 성분 간 상호 전환를 구현한다.
• 플랑크 스케일까지의 1-루프 양자역학적 군 방정식(RGEs)을 사용하여 4차 상호작용 계수, 게이지 상호작용 계수, 히iggs 약한 상호작용 계수의 변화를 추적한다.
• 볼츠만 방정식을 사용하여 공반열과 상호 전환 과정을 포함한 잔류 밀도 계산을 수행하며, $\chi_1\chi_1 \to VV, HH, \phi\phi$ 에 대한 전체 $\mathcal{S}$-행렬 원소를 활용한다.
• RGE 진화 동안 힉스 4차 상호작용 계수 $\lambda_H$ 가 플랑크 스케일까지 양수로 유지되도록 하여 진공 안정 조건을 적용한다.
• 모델 매개변수에 대한 수치적 스캔을 수행하여, 잔류 밀도가 $\Omega_{\rm DM}h^2 \approx 0.12$ 와 일치하고 진공 안정성이 유지되는 타당한 영역을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스칼라 이중체와 $Y=0$ 스칼라 삼중체 간 상호 전환이 이중체 모형의 사막 영역에서의 잔류 밀도 부족 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ2 Y=0 스칼라 삼중체의 포함이, 정확한 어두운 물질 잔류 밀도를 도출하는 영역에서도 전기약력 진공을 플랑크 스케일까지 안정화시키는가?
• RQ3 관측된 잔류 밀도와 진공 안정성이 동시에 만족되는 타당한 매개변수 영역은 무엇인가?
• RQ4 공반열과 상호 전환 과정이 단일 이중체 또는 삼중체 모형과 비교해 잔류 밀도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이중체 질량 범위 $M_{\rm DM} \sim 500~{\rm GeV} - 1~{\rm TeV}$ 내에서 관측된 잔류 밀도 $\Omega_{\rm DM}h^2 \approx 0.12$ 를 달성하며, 이는 단독으로 존재할 경우 과도한 붕괴로 실패하는 이중체 모형의 영역이다.
• 하나의 하위 테르라전자볼트 질량을 가진 삼중체 성분은 공반열과 상호 전환를 가능하게 하여 효과적인 붕괴 단면적을 감소시키며, 사막 영역 내 정확한 잔류 밀도를 가능하게 한다.
• 타당한 매개변수 영역 내에서 힉스 4차 상호작용 계수 $\lambda_H$ 가 플랑크 스케일까지 양수로 유지되어 전기약력 진공 안정성이 보장된다.
• 이중체와 삼중체 성분 간 상호 전환 속도는 냉각 동역학을 변화시킬 정도로 충분히 크며, 개별 성분이 부족한 밀도를 보일 경우에도 잔류 밀도를 달성할 수 있도록 한다.
• 직접 탐측, 고에너지 물리 실험, 그리고 점성도 제약 조건을 모두 충족하며, 모든 결합 계수가 플랑크 스케일까지 점성도를 유지한다.
• RGE 분석을 통해 $Y=0$ 삼중체가 힉스 포텐셜 안정화에 기여하며, 특히 $\lambda_{\Phi T}$ 와 $\lambda_T$ 계수들이 $\lambda_H$ 의 진화에 영향을 미쳐 안정성에 기여함을 확인하였다.