[论文解读] Asymmetric Dark Matter and Muon $g-2$ in Extended Exo-Higgs Scenarios

Hooman Davoudiasl, Pier Paolo Giardino+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2016

Computational Physics and Python Applications被引用 1

一句话总结

该论文在带有复数单态标量 χ 的外希格斯模型基础上，提出了一种质量约为 1.3 GeV 的可行非对称暗物质（ADM）候选者。该模型通过新引入的向量型费米子，在约 3.5σ 水平下解释了μ子 g-2 异常，并预测了来自 TeV 能标一级相变的可探测引力波，同时通过外轻子衰变为轻子对加缺失能量，在 LHC 上产生可观测信号。

ABSTRACT

The exo-Higgs model can accommodate a successful baryogenesis mechanism that closely mirrors electroweak baryogenesis in the Standard Model, but avoids its shortcomings. We extend the exo-Higgs model by the addition of a singlet complex scalar $\chi$. In our model, $\chi$ can be a viable asymmetric dark matter (ADM) candidate. We predict the mass of the ADM particle to be $m_\chi\approx1.3\, extrm{GeV}$. The leptophilic couplings of $\chi$ can provide for efficient annihilation of the ADM pairs. We also discuss the LHC signals of our scenario, and in particular the production and decays of exo-leptons which would lead to lepton pair plus missing energy final states. Our model typically predicts potentially detectable gravitational waves originating from the assumed strong first order phase transition at a temperature of $\sim$ TeV. If the model is further extended to include new heavy vector-like fermions, {\it e.g.} from an ultraviolet extension, $\chi$ couplings could explain the $\sim 3.5\sigma $ muon $g-2$ anomaly.

研究动机与目标

• 通过在外部希格斯模型中引入复数单态标量，解决标准模型中电弱重子生成机制的局限性。
• 提出一种质量约为 1.3 GeV 的可行非对称暗物质候选者（χ），通过高效的湮灭过程实现正确的遗迹丰度。
• 通过在模型的紫外完备扩展中引入新的向量型费米子，解释观测到的约 3.5σ μ子 g-2 异常。
• 预测通过外轻子产生及其衰变为轻子对加缺失能量，在 LHC 上可观测的信号。
• 探讨强一级相变的宇宙学影响，包括在约 TeV 能标下产生可探测引力波。

提出的方法

• 在具有轻子亲和耦合的扩展外希格斯模型中，引入复数单态标量 χ 作为暗物质候选者。
• 实施一种类似于电弱重子生成的机制，但避免了标准模型中的固有问题。
• 利用标量 χ 的耦合，介导暗物质对的高效湮灭，实现正确的遗迹密度。
• 在紫外完备化中引入新的重向量型费米子，以生成观测到的 μ子 g-2 偏差。
• 计算在约 TeV 温度下强一级电弱相变产生的引力波谱。
• 分析 LHC 物理现象，重点研究外轻子产生及其衰变为包含轻子和缺失能量末态的信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 带有复数单态标量 χ 的外希格斯模型能否提供一种质量约为 1.3 GeV 的可行非对称暗物质候选者？
• RQ2 χ 的轻子亲和耦合如何实现高效的暗物质湮灭，从而确保观测到的遗迹丰度？
• RQ3 在该模型中，引入新的向量型费米子在多大程度上能够解释约 3.5σ 的 μ子 g-2 异常？
• RQ4 外轻子产生及其衰变为轻子对加缺失能量会引发哪些可探测的 LHC 信号？
• RQ5 该模型能否产生强一级相变，从而在 TeV 能标下产生可探测的引力波？

主要发现

• 非对称暗物质候选者 χ 的预测质量约为 1.3 GeV，与宇宙学遗迹密度约束一致。
• χ 的轻子亲和耦合可实现高效的湮灭过程，确保正确的暗物质遗迹丰度。
• 在紫外扩展中引入新的向量型费米子，可解释观测到的约 3.5σ μ子 g-2 偏差。
• 该模型预测可通过外轻子衰变为包含两个轻子和缺失能量的末态，在 LHC 上产生可观测信号。
• 在约 TeV 温度下发生的强一级相变，可产生潜在可探测的引力波信号。
• 该模型实现了一种成功的重子生成机制，避免了标准电弱重子生成的固有问题。