[논문 리뷰] Unitarity Constraints on Higgs Portals

Devin G. E. Walker|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 03.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 힉스 포털 어두운 물질 모델에 대해 유니타리성과 섭동 이론 제약를 유도하며, 매개체 힉스 보손 질량이 3 테바전자볼트(fermion-only 붕괴)와 14.2 테바전자볼트(fermion 및 힉스 교환 포함)로 제한됨을 보여준다. 어두운 대칭성 깨짐의 진공 기대값은 각각 2.4 테바전자볼트와 12 테바전자볼트로 제약을 받는다. 이러한 제약은 타당한 매개변수 공간을 크게 줄이며, 향후 ILC나 VLHC와 같은 대형 충돌기 실험이 이 메커니즘을 검증하는 데 필수적임을 시사한다.

ABSTRACT

Dark matter that was once in thermal equilibrium with the Standard Model is generally prohibited from obtaining all of its mass from the electroweak phase transition. This implies a new scale of physics and mediator particles to facilitate dark matter annihilation. In this work, we focus on dark matter that annihilates through a generic Higgs portal. We show how partial wave unitarity places an upper bound on the mass of the mediator (or dark) Higgs when its mass is increased to be the largest scale in the effective theory. For models where the dark matter annihilates via fermion exchange, an upper bound is generated when unitarity breaks down around 8.5 TeV. Models where the dark matter annihilates via fermion and higgs boson exchange push the bound to 45.5 TeV. We also show that if dark matter obtains all of its mass from a new symmetry breaking scale that scale is also constrained. We improve these constraints by requiring perturbativity in the Higgs sector up to each unitarity bound. In this limit, the bounds on the dark symmetry breaking vev and the dark Higgs mass are now 2.4 and 3 TeV, respectively, when the dark matter annihilates via fermion exchange. When dark matter annihilates via fermion and higgs boson exchange, the bounds are now 12 and 14.2 TeV, respectively. The available parameter space for Higgs portal dark matter annihilation is outlined. We also show how the bounds are improved if Higgs portal dark matter is only a fraction of the observed relic abundance. Finally, we discuss how to apply these arguments to other dark matter scenarios and discuss prospects for direct detection and future collider searches. If the Higgs portal is responsible for dark matter annihilation, planned direct detection experiments will cover almost all the parameter space. The ILC and/or VLHC, however, is needed to establish the Higgs portal mechanism.

연구 동기 및 목표

• 유니타리성과 섭동 이론 제약를 사용하여 힉스 포털 어두운 물질 모델에서 어두운 힉스 매개체의 질량에 대한 이론적 상한을 유도하는 것.
• 특히 어두운 힉스 진공 기대값(vev)으로서 어두운 물질 질량의 원인인 새로운 물리의 스케일을 제약하는 것.
• 유니타리성과 섭동 이론 조건 하에서 힉스 포털 어두운 물질 붕괴의 타당한 매개변수 공간을 매핑하는 것.
• 직접 탐지 실험과 향후 대형 충돌기(ILC, VLHC)가 힉스 포털 메커니즘을 어떻게 탐색할 수 있는지 평가하는 것.
• 기존의 제약을 향상시키기 위해, 유니타리 한계까지의 힉스 섹터에서의 섭동 이론을 통합하는 것.

제안 방법

• 고에너지에서의 단위성 위반 여부를 판단하기 위해 표준모형 힉스와 어두운 힉스를 포함한 산란 진폭에 부분파 유니타리성을 적용하는 것.
• 매개체 질량, 힉스 포털 결합 상수, 혼합 각도 등의 매개변수 스캔을 통해 유니타리성 위반 영역을 식별하는 것.
• 이론이 약한 결합 상태를 유지하기 위해, 유니타리 한계까지의 힉스 섹터에 대해 섭동 이론 제약를 적용하는 것.
• 측정된 잔류 밀도를 통해 표준모형과 어두운 힉스 간의 혼합 각도를 고정하고, 이로부터 유니타리 제약를 질량과 vev 제약로 변환하는 것.
• 전기약력 정밀 관측치(S 및 T 파rameters)와 힉스 신호 강도 측정치(μγγ+ZZ)를 결합하여 혼합 각도를 제약하는 것.
• 직접 탐지 진폭을 평가하고, 제약된 매개변수 공간 기반으로 향후 실험의 감도를 예측하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유니타리성이 위반되기 전까지 힉스 포털 어두운 물질 모델에서 어두운 힉스 매개체의 최대 允許 질량은 얼마인가?
• RQ2 힉스 섹터에서의 섭동 이론 제약는 어두운 힉스 질량과 어두운 vev의 상한을 어떻게 개선하는가?
• RQ3 어두운 물질 붕괴 과정에 힉스 교환이 포함될 경우, 페르미온만의 붕괴와 비교해 유니타리 제약는 어떻게 달라지는가?
• RQ4 관측된 힉스 신호 강도(μγγ+ZZ)는 표준모형과 어두운 힉스 간의 혼합 각도를 어느 정도 제약하는가?
• RQ5 다음 10년 내에 계획된 직접 탐지 실험들은 힉스 포털 어두운 물질의 나머지 타당한 매개변수 공간을 커버할 수 있는가?

주요 결과

• 어두운 물질이 페르미온 교환만으로 붕괴하는 경우, 어두운 힉스 질량에 대한 유니타리 제약는 8.5 테바전자볼트이며, 섭동 이론 제약를 적용하면 3 테바전자볼트로 감소한다.
• 페르미온과 힉스 교환이 붕괴에 기여하는 경우, 유니타리 제약는 45.5 테바전자볼트로 상승하지만, 섭동 이론 제약를 적용하면 14.2 테바전자볼트로 감소한다.
• 어두운 힉스 진공 기대값(vev)은 섭동 이론 조건 하에서 페르미온 전용 붕괴 시 2.4 테바전자볼트, 힉스 교환 포함 시 12 테바전자볼트로 제약된다.
• 현재 힉스 신호 강도 데이터(μγγ+ZZ ∈ [0.58, 2.15] at 95% c.l.) 기반으로 표준모형과 어두운 힉스 간의 혼합 각도는 cosθ ∈ [1/√2, ≲1]로 제한된다.
• 다음 10년 내에 계획된 직접 탐지 실험들은 힉스 포털 어두운 물질의 나머지 타당한 매개변수 공간을 거의 전부 커버할 것으로 예상된다.
• ILC와/또는 VLHC는 직접 탐지가 다룰 수 없는 고에너지 물리 영역을 탐사할 수 있으므로, 힉스 포털 메커니즘을 명확히 규명하기 위해 필수적이다.