[论文解读] Inert Higgs Dark Matter for CDF-II W-boson Mass and Detection Prospects

Yi-Zhong Fan, Tian-Peng Tang+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 10

一句话总结

本文提出惰性两希格斯双重模型（i2HDM）作为统一框架，以解释CDF-II对W玻色子质量的异常测量，并提供一个可行的暗物质候选。通过引入一个$\rm Z_2$奇宇称的标量双重态，该模型产生圈修正，使W玻色子质量增强至与CDF-II测量值一致，同时最轻的$\rm Z_2$奇宇称标量（S）作为热WIMP暗物质。首选的暗物质质量为54–74 GeV，宇宙遗迹密度存在三个可行区域：$SA$共湮灭、希格斯共振态以及$SS\to WW^*$湮灭，这些区域均可通过未来的对撞机和直接探测实验检验。

ABSTRACT

The $W$-boson mass, which was recently measured at FermiLab with an unprecedented precision, suggests the presence of new multiplets beyond the Standard Model (SM). One of the minimal extensions of the SM is to introduce an additional scalar doublet, in which the non-SM scalars can enhance $W$-boson mass via the loop corrections. On the other hand, with a proper discrete symmetry, the lightest new scalar in the doublet can be stable and play the role of dark matter particle. We show that the inert two Higgs doublet model can naturally handle the new $W$-boson mass without violating other constraints, and the preferred dark matter mass is between $54$ and $74$ GeV. We identify three feasible parameter regions for the thermal relic density: the $SA$ co-annihilation, the Higgs resonance, and the $SS o WW^*$ annihilation. We find that the first region can be fully tested by the HL-LHC, the second region will be tightly constrained by direct detection experiments, and the third region could yield detectable GeV gamma-ray and antiproton signals in the Galaxy that may have been observed by Fermi-LAT and AMS-02.

研究动机与目标

• 将CDF-II对W玻色子质量的测量值（$m_W = 80.4335 \pm 0.0094$ GeV）与标准模型预测值（$m_W = 80.357 \pm 0.006$ GeV）相协调，二者偏差达7σ。
• 识别标准模型的最小扩展，能够同时解释W玻色子质量异常并提供稳定、弱相互作用的暗物质候选者。
• 探索惰性两希格斯双重模型（i2HDM）中热遗迹密度的可行参数区域，且与电弱精确测量数据及暗物质约束一致。
• 评估该模型通过未来对撞机搜索、直接探测实验以及天体物理信号（如GeV伽马射线和反质子）的可探测性。

提出的方法

• 该模型在标准模型基础上引入一个带有$\rm Z_2$对称性的第二标量双重态$H_2$，确保最轻的$\rm Z_2$奇宇称标量（S或A）稳定，可作为暗物质。
• 标量势包含参数$\mu_2^2$、$\lambda_2$、$\lambda_3$、$\lambda_4$和$\lambda_5$，其中$m_h = 125$ GeV和$v = 246$ GeV由实验数据固定。
• 通过计算偏斜参数$\mathcal{S}$、$\mathcal{T}$和$\mathcal{U}$来量化对W玻色子质量的修正，$\Delta m_W^2$由文中公式（1）推导得出。
• 利用玻尔兹曼方程计算热遗迹密度，湮灭截面通过$SA$共湮灭、希格斯共振态以及$SS\to WW^*$过程增强。
• 应用PDG2020和完整的电弱精确测试（EWPT2022）似然函数，包括CDF-II的$m_W$测量值，以限制可行的参数空间。
• 利用Fermi-LAT和AMS-02数据评估天体物理信号（如GeV伽马射线和反质子通量）的可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 惰性两希格斯双重模型（i2HDM）能否在不违反现有约束的前提下，同时解释CDF-II对W玻色子质量的测量并提供一个可行的热WIMP暗物质候选者？
• RQ2 在CDF-II $m_W$约束下，哪些首选的暗物质质量和湮灭机制能够重现观测到的热遗迹密度？
• RQ3 偏斜参数$\mathcal{S}$、$\mathcal{T}$和$\mathcal{U}$如何限制i2HDM中新标量的质量谱，以匹配W玻色子质量异常？
• RQ4 在三种湮灭通道中——$SA$共湮灭、希格斯共振态或$SS\to WW^*$——哪一种最具可行性且可通过当前和未来实验探测？
• RQ5 将完整的电弱精确测试（EWPT2022）似然函数（包含CDF-II数据）纳入考量后，对i2HDM参数空间的可行性与约束有何影响？

主要发现

• i2HDM可自然解释CDF-II对W玻色子质量的异常，首选暗物质质量范围为54–74 GeV，与观测到的$m_W$偏差一致。
• $SA$共湮灭区域可在高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）上被完全探测，因其具有典型的多重轻子加缺失能量信号。
• 希格斯共振态区域受到直接探测实验的严格限制，尤其因自旋无关散射截面较大。
• $SS\to WW^*$湮灭通道可产生可探测的GeV伽马射线和反质子信号，可能解释Fermi-LAT和AMS-02现有的天体物理观测结果。
• 与仅使用CDF-II $m_W$测量值相比，引入完整的EWPT2022似然函数略微减弱了约束，但首选参数空间仍与$m_W$异常保持一致。
• 为重现W玻色子质量，模型要求$\mathcal{S} \leq 0.025$且$\mathcal{T} \geq 0.07$，$\mathcal{U}$为次要贡献，且倾向于使$H^\pm$相对于S和A更重，以最大化$\mathcal{T}$。