[논문 리뷰] Two Higgs doublet models with local U(1)_H gauge symmetry and dark matter

Pyungwon Ko, Yuji Omura외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 11인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 힉스 두중우 모델(2HDM)과 관계된 소프트하게 깨진 Z2 대칭성과 관계된 관성적 두중우 모델(IDM)의 정확한 Z2 대칭성을 기원으로 삼는 국소 U(1)H 게이지 대칭의 자발적 대칭 깨짐을 제안한다. 이 모형은 ZH 게이지 보손으로의 새로운 결합 채널 덕분에 가벼운 암흑물질 후보(mH ≲ 40 GeV)를 허용하며, 이는 표준 IDM에서 운동역학적 제약과 직접 탐지 제약로 인해 배제되는 바이다. 이는 천체물리학적 및 입자충돌 실험 데이터와 일관된 타당한 암흑물질 시나리오를 제공한다.

ABSTRACT

We propose to implement the softly broken Z_2 symmetry in the usual two Higgs doublet model (2HDM) to spontaneously broken local U(1)_H gauge symmetry, and show that the resulting phenomenology can be very rich and is distinctly different from the usual 2HDMs. Likewise, the exact Z_2 symmetry in ordinary inert doublet model (IDM) could be a remnant of spontaneously broken local U(1)_H symmetry stabilizing dark matter (DM). In this case, new channels for DM pair annihilation into U(1)_H gauge boson(s) open up, allowing the DM mass below \lesssim 40 GeV, unlike the usual IDM.

연구 동기 및 목표

• 두 힉스 두중우 모델(2HDMs)에서의 색이 없는 중성미온 전이 문제(FCNC)를 수반하지 않는 조작적인 Z2 대칭성 없이 해결하기 위해.
• 국소 U(1)H 게이지 대칭의 자발적 대칭 깨짐을 통해 2HDM에서 소프트하게 깨진 Z2 대칭성의 역학적 기원을 제공하기 위해.
• 이 메커니즘을 관성적 두중우 모델(IDM)으로 확장하여 U(1)H의 잔류 Z2 대칭성을 통해 암흑물질을 안정화하기 위해.
• 특히 가벼운 암흑물질의 가능성에 초점을 맞춘 현상학적 결과를 탐색하기 위해.
• U(1)H 기반 IDM의 잔류 밀도 및 결합 단면적 예측을 표준 Z2 기반 IDM과 비교하여, 특히 가벼운 암흑물질 영역에서의 특성을 분석하기 위해.

제안 방법

• 힉스 두중우와 표준모형의 단일 스칼라 필드 Φ가 전하를 지닌 국소 U(1)H 게이지 대칭을 따르도록 설정하며, U(1)H 대칭의 자발적 깨짐 이후 Φ가 진공 기대값(VEV)을 취하도록 한다.
• H†₁H₂Φ와 같은 항을 포함하는 U(1)H 불변 힉스 포텐셜을 구성하여, U(1)H 대칭 깨짐 이후 소프트 Z2 위반 항을 생성한다.
• 추가적인 페르미온을 도입하여 이상치 제거를 보장하며, 그 중 하나는 냉각 암흑물질 후보로 기능할 수 있다.
• U(1)H 대칭 깨짐으로 남는 Z2 대칭성을 활용하여 관성적 힉스 두중우의 중성 성분을 암흑물질로 안정화한다.
• 잔류 밀도와 암흑물질의 결합 단면적을 계산하며, HH → ZHZH 및 HH → ZZH와 같은 새로운 채널을 포함한다.
• LHC 힉스 신호 강도, 전자기적 정밀 관측, 비가시 힉스 붕괴, 직접 탐지(LUX), 그리고 Fermi-LAT 감마선 데이터로부터의 제약 조건을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2HDM에서 소프트하게 깨진 Z2 대칭성은 국소 U(1)H 게이지 대칭의 자발적 대칭 깨짐을 통해 역학적으로 생성될 수 있는가?
• RQ2 U(1)H 기반 IDM은 표준 IDM이 제약을 받는 40 GeV 이하의 질량을 가진 타당한 암흑물질 후보를 허용하는가?
• RQ3 HH → ZHZH 및 HH → ZZH와 같은 새로운 결합 채널은 U(1)H 기반 IDM에서 잔류 밀도와 직접 탐지 제약 조건에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 U(1)H 게이지 보손과 Z 보손 간의 혼합은 힉스 신호 강도와 실험적 제약 조건에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 U(1)H 기반 2HDM의 현상학은 Z2 대칭성을 가진 표준 2HDM과 유형-I 피어미오파빅 시나리오에서 어떻게 다를까?

주요 결과

• 유형-I 피어미오파빅 기반의 U(1)H 기반 2HDM은 LHC 힉스 신호 강도 데이터와 일치하며(CMS 1σ, ATLAS 2σ), μggγγ ≲ 0.4 범위에서 향후 구분 가능성이 있다.
• 이 모형은 질량 mH ≲ 40 GeV인 가벼운 암흑물질 후보를 허용하며, 이는 표준 IDM에서 직접 탐지 및 공진기 결합 제약 조건으로 인해 배제된다.
• 가벼운 H 상황에서 주요 결합 채널 HH → ZHZH는 타당한 잔류 밀도를 가능하게 하며, mH ≈ mZH 조건을 만족하고 Fermi-LAT 감마선 제약 조건을 충족한다.
• U(1)H 기반 IDM에서의 잔류 밀도는 ZH 게이지 보손으로의 추가적인 결합 채널 덕분에 표준 IDM보다 略적으로 낮다.
• U(1)H 기반 IDM은 특히 mH ≲ 40 GeV 영역에서 표준 IDM보다 더 넓은 매개변수 공간을 예측한다.
• U(1)H 기반 IDM는 자발적 대칭 깨짐으로 인한 도메인 월 문제를 피하며, 대칭성의 자연스러운 기원을 제공한다.