[论文解读] Dark matter, dark radiation and Higgs phenomenology in the hidden sector DM models

Pyungwon Ko|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

该论文提出了一类具有局部暗规范对称性的隐秘扇区暗物质模型，通过未破缺的规范不变性或拓扑保护稳定暗物质，同时引入轻质暗希格斯粒子和暗规范玻色子作为媒介。该模型表明，这些媒介可解释银河系中心的GeV伽马射线超额，实现自相互作用暗物质，并在希格斯 inflation 中将张量-标量比增强至 r ≈ 0.084，且独立于标准模型参数。

ABSTRACT

I present a class of hidden sector dark matter (DM) models with local dark gauge symmetries, where DM is stable due to unbroken local dark gauge symmetry, or due topology, or it is long-lived because of some accidental symme- tries, and the particle contents and their dynamics are completely fixed by local gauge symmetries. In these models, one have two types of natural force mediators, dark gauge bosons and dark Higgs boson, which would affect DM and Higgs phenomenology in important ways. I discuss various phenomenological issues including the GeV scale gamma-ray excess from the galactic center (GC), (in)direct detection signatures, dark radiation, Higgs phenomenology and Higgs inflation assisted by dark Higgs.

研究动机与目标

• 构建一个具有局部暗规范对称性的紫外完备暗物质模型，通过规范不变性确保暗物质粒子的绝对或长寿命稳定性。
• 通过轻质暗规范玻色子和暗希格斯玻色子作为媒介，解释银河系中心GeV能段伽马射线超额。
• 通过轻质暗规范玻色子介导的自相互作用暗物质，解决冷暗物质模型中的核心-陡度、缺失卫星和过大而无法形成等问题。
• 探讨暗希格斯门户相互作用如何改变希格斯 inflation，导致张量-标量比增大，且独立于顶夸克和希格斯玻色子质量。
• 预测在希格斯现象学、真空稳定性以及暗辐射方面可观测的信号，且与宇宙学数据一致。

提出的方法

• 构建一个可重整化的紫外完备暗物质模型，包含一个单态标量（暗希格斯）和一个局部暗规范对称性，通过规范不变性确保稳定性。
• 引入标准模型希格斯与暗希格斯之间的希格斯门户相互作用，允许混合及125 GeV希格斯玻色子的新衰变道。
• 在弯曲时空中的规范固定下使用单位规范，推导出含暗希格斯门户的希格斯 inflation 有效作用量，计算慢滚参数和暴胀观测量。
• 计算直接探测与间接探测截面，表明混合希格斯态之间的破坏性干涉可抑制直接探测信号。
• 评估无质量暗规范玻色子和轻质暗费米子对暗辐射的贡献，与普朗克约束进行比较。
• 利用暗希格斯作为稳定标量，评估电弱能标至普朗克能标范围内的真空稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 隐秘扇区中的局部暗规范对称性能否提供一种根本机制来稳定暗物质，从而避免人为引入的全局对称性？
• RQ2 轻质暗规范玻色子和暗希格斯玻色子如何解释银河系中心观测到的GeV能段伽马射线超额？
• RQ3 由轻质暗规范玻色子介导的自相互作用暗物质能否解决冷暗物质范式中的核心-陡度、缺失卫星和过大而无法形成等问题？
• RQ4 向暗扇区的希格斯门户对希格斯 inflation 中的张量-标量比有何影响？其值能否独立于标准模型参数达到 r ≈ 0.084？
• RQ5 暗希格斯门户相互作用如何影响希格斯信号强度、真空稳定性以及暗辐射？这些预测是否与当前LHC和普朗克数据一致？

主要发现

• 该模型通过未破缺的局部暗规范对称性或拓扑保护实现暗物质稳定性，为避免人为对称性的有效场论方法提供了紫外完备的替代方案。
• 银河系中心的GeV伽马射线超额可通过暗规范玻色子对的产生与衰变来解释，基准预测为 r = 0.0840（对应 Nₑ = 56 且 ξ = 12.8294）。
• 标准模型希格斯与暗希格斯贡献之间的破坏性干涉抑制了直接探测截面，使紫外完备模型规避了XENON100与LUX的约束。
• 暗希格斯门户使电弱真空在不引入额外新物理的情况下，可稳定至普朗克能标，从而增强模型的可行性。
• 由于与暗希格斯的混合，该模型预测所有产生与衰变道中希格斯信号强度普遍被抑制。
• 无质量暗规范玻色子和轻质暗费米子对暗辐射的贡献较小，且与普朗克数据一致，在所考虑的参数空间中满足 ΔNₑff ≲ 0.1。