[论文解读] Composite Dark Matter and Higgs

T. Ma, Yongcheng Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 60被引用 7

一句话总结

本文提出了一种在 SU(4)×SU(4)/SU(4) 模型中的复合暗物质（DM）情景，其中希格斯粒子和一个暗物质候选者均作为强规范-费米子动力学产生的伪诺姆-戈尔德斯通玻色子（pNGBs）。该研究确定了暗物质质量的可行范围为 500 GeV 至数 TeV，其中直接探测限制了高于 1 TeV 的质量，同时建立了对奇宇称复合标量在大型强子对撞机（LHC）中的探测前景。

ABSTRACT

We investigate the possibility that Dark Matter arises as a composite state of a fundamental confining dynamics, together with the Higgs boson. We focus on the minimal SU(4)$ imes$SU(4)/SU(4) model which has both a Dark Matter and a Higgs candidates arising as pseudo-Nambu-Goldstone bosons. At the same time, a simple underlying gauge-fermion theory can be defined providing an existence proof of, and useful constraints on, the effective field theory description. We focus on the parameter space where the Dark Matter candidate is mostly a gauge singlet. We present a complete calculation of its relic abundance and find preferred masses between 500 GeV to a few TeV. Direct Dark Matter detection already probes part of the parameter space, ruling out masses above 1 TeV, while Indirect Detection is relevant only if non-thermal production is assumed. The prospects for detection of the odd composite scalars at the LHC are also established.

研究动机与目标

• 探索基于 SU(4)×SU(4)/SU(4) 全局对称性自发破缺的最小复合希格斯与暗物质模型。
• 提供一个紫外完备的规范-费米子理论，以实现对希格斯与暗物质有效 pNGB 描述的动态起源。
• 确定暗物质候选者的遗迹丰度，重点关注其主要为规范单重态的情况。
• 评估通过直接与间接暗物质探测，以及 LHC 对奇宇称复合标量的搜索，对该模型的可探测性。

提出的方法

• 基于 SU(4)×SU(4)/SU(4) 全局对称性自发破缺模式构建有效场论，将希格斯与一个中性 pNGB 作为最轻的物理态。
• 定义一个具有在 SU(4)×SU(4) 下变换的基本费米子的紫外完备规范-费米子理论，以提供 pNGB 的动力学起源。
• 通过早期宇宙中的热冻结过程计算暗物质候选者的遗迹丰度，假设其单重态主导。
• 通过其与标准模型费米子的耦合，评估对核子的自旋无关散射所施加的直接探测约束。
• 在非热暗物质产生情景下评估间接探测信号。
• 通过其与 SM 粒子及希格斯粒子的耦合，推导奇宇称复合标量在 LHC 中的信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 SU(4)×SU(4)/SU(4) 模型中，一个主要为规范单重态的复合暗物质候选者的可行质量范围是什么？
• RQ2 暗物质候选者的遗迹丰度如何依赖于其质量与混合参数？
• RQ3 当前的直接探测实验对该复合暗物质情景的敏感程度如何？
• RQ4 在大型强子对撞机（LHC）中发现奇宇称复合标量的前景如何？
• RQ5 在何种条件下，间接探测可为该模型提供互补约束？

主要发现

• 复合暗物质候选者具有 500 GeV 至数 TeV 的优选质量范围，与热冻结过程及单重态主导一致。
• 直接探测实验已排除高于 1 TeV 的暗物质质量，对参数空间施加了强烈约束。
• 若暗物质为非热产生，则间接探测具有相关性；而热产生在大多数参数空间中会导致过闭合，因此间接探测仅在非热情景下有意义。
• 该模型预测奇宇称复合标量在 LHC 中可产生可观测信号，尤其通过其与希格斯及 SM 规范玻色子的耦合。
• 希格斯与暗物质均源自相同的强相互作用动力学，其质量受全局对称性保护。
• 紫外完备的规范-费米子理论为有效理论提供了具体实现，将 pNGB 组分与底层费米子凝聚联系起来。