[论文解读] A Higgsploding Theory of Dark Matter

Valentin V. Khoze, Joey Reiness+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 24被引用 6

一句话总结

本文提出了一种希格斯爆炸理论的暗物质模型，其中希格斯爆炸尺度——在约25 TeV处动态生成——预测了一个最小的标量暗物质候选者，其质量约为1.25 TeV，希格斯通道耦合常数适中（约0.4）。该模型与所有当前直接探测和间接探测的约束一致，且可在即将开展的实验（如LZ和CTA）中进行检验。

ABSTRACT

We show that the Higgsplosion mechanism makes a prediction for the mass and coupling of a WIMP-like minimal scalar dark matter model. In particular the currently favoured minimal value for the Higgsplosion scale, $E_\mathrm{H}\sim 25$ TeV, implies a dark matter mass $m_\mathrm{DM} \sim 1.25$ TeV and a moderate quartic coupling with the Standard Model Higgs field $λ_\mathrm{H,DM} \sim 0.4$. This point in the parameter space is still allowed by all current experimental bounds, including direct detection (XENON), indirect detection (HESS, Fermi, Planck) and collider searches. We have updated the scalar dark matter bounds to reflect the latest results from XENON and HESS experiments. We also comment on vacuum stability and dark matter self-interactions in this model.

研究动机与目标

• 探索希格斯爆炸机制在最小标量单重态模型中预测暗物质性质的含义。
• 通过将希格斯爆炸尺度作为物理紫外截断，解决标量暗物质模型中的层次问题。
• 确定所预测的暗物质参数是否与当前直接探测和间接探测的实验约束一致。
• 评估从希格斯爆炸尺度到暗物质质量尺度的规范跑动过程中，真空稳定性与自相互作用。

提出的方法

• 该模型采用一个具有Z2对称性的实标量单重态，通过一个耦合常数为λ_HX的通道相互作用与标准模型希格斯 boson 耦合。
• 暗物质质量通过希格斯爆炸尺度EH推导得出，满足m_DM² ≈ λ_HX EH² / (16π²)，从而将紫外尺度与暗物质质量联系起来。
• 利用冻结生成机制确定遗迹丰度，当EH ≈ 25 TeV时，要求λ_HX ≈ 0.4，以使m_DM ≈ 1.25 TeV。
• 对XENON（直接探测）、HESS（间接探测）以及对撞机搜索的约束进行了更新，并应用于参数空间。
• 计算了四次耦合的规范跑动方程，以评估真空稳定性及λ_X ≪ λ_HX假设的有效性。
• 对暗物质湮灭产生的光子谱进行建模，利用HESS的观测限制设定湮灭截面的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在目前 favored 的希格斯爆炸尺度约25 TeV下，希格斯爆炸机制预测的暗物质质量和通道耦合常数是多少？
• RQ2 该参数点是否与所有当前的直接探测和间接探测约束一致？
• RQ3 从希格斯爆炸尺度到暗物质质量尺度的规范跑动过程中，真空稳定性如何？
• RQ4 自相互作用以及λ_X ≪ λ_HX的假设在多大程度上影响了该模型的物理学现象？
• RQ5 该模型是否可在近期实验（如LZ和CTA）中进行检验？

主要发现

• EH ≈ 25 TeV 的希格斯爆炸尺度预测了m_DM ≈ 1.25 TeV 的暗物质质量和λ_HX ≈ 0.4 的希格斯通道耦合常数。
• 该参数点与所有当前实验约束一致，包括XENON1T（直接探测）、HESS、Fermi 和 Planck（间接探测）以及对撞机搜索。
• 该模型可在即将开展的直接探测实验（如LZ）和间接探测实验（如CTA）中进行检验。
• 在规范跑动过程中，λ_X ≪ λ_HX 的假设成立，最大耦合时λ_X / λ_HX ≈ 0.17，确保对暗物质质量的修正可忽略。
• 真空稳定性在整个能量尺度上保持不变，因为λ_X在从EH运行到m_DM时不会变为负值。
• 该模型预测的暗物质湮灭产生的光子谱在10 GeV至30 TeV能量范围内均低于HESS的观测限制。