[論文レビュー] Majorana Dark Matter in Minimal Higgs Portal Models after LUX

Maíra Dutra, C. A. de S. Pires+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、Z₂対称性によって安定化され、レプトン数を破る複素単一スカラーとカップリングするステアーリング・メイジョラナフェルミオンとしてのダークマターを有する最小限のヒッグスポータルモデルを研究する。観測されたダークマターの残存密度に一致させるため、レプトン数の破れスケールは100–2000 GeVである必要がある。また、特にスカラー共鳴状態近くや小さな混合角を伴う領域では、LUXおよびXENON1Tの直接検出制約を回避する可能性のあるパラメータ領域を同定する。

ABSTRACT

We consider the Singlet Majorana fermion dark matter model, in which the standard model particles interact with the dark sector through the mixing of a singlet scalar and the Higgs boson. In this model both the dark matter and the singlet scalar carry lepton number, the latter being a bilepton. We suppose the existence of a $Z_2$ symmetry, remnant of some high energy local symmetry breaking, that stabilizes the Majorana fermion. We analyzed the parameter space of this model and found that the lepton number symmetry breaking scale, drove by the singlet scalar, is constrained to be within hundreds to thousands of GeV, so as to conform with the observed dark matter relic density. Finally, we address the direct detection and invisible Higgs decay complementarity, confronting our model with recent LUX and LHC constraints, as well as XENON1T prospects.

研究の動機と目的

• ステアーリング・メイジョラナフェルミオンが、複素単一スカラーを有する最小限のヒッグスポータルモデルにおいてダークマターとして成立するかを調査すること。
• 最近のLUX、XENON1T、および非可視ヒッグス崩壊データを用いて、レプトン数の破れスケールと混合角を制約すること。
• 直接検出と非可視ヒッグス崩壊の相補的性を、モデルのパラメータ空間を探索するために活用すること。
• プランクの残存密度と実験的制約に一致するパラメータ空間の領域を同定すること。
• ヒッグス自己結合測定を用いた将来のコライダーでの同定可能性を評価すること。

提案手法

• レプトン数を破る複素単一スカラーを有する、ローレンツ不変でCPを保存するヒッグスポータルモデルを導入する。
• メイジョラナフェルミオンをダークマター候補として安定化するためにZ₂対称性を課す。
• 単一スカラーが真空期待値（vev）を獲得し、レプトン数を破り、フェルミオンにメイジョラナ質量を生成する。
• 標準模型粒子との相互作用強度を、標準模型ヒッグス粒子と単一スカラーの間の混合角αでパrameterizeする。
• モデルの4つの自由パラメータ（$M_N$, $M_S$, α, $v_\sigma$：レプトン数の破れスケール）のグローバルフィットを実施する。
• プランク（残存密度）、LUX（直接検出）、XENON1T（将来の直接検出）、およびLHCにおける非可視ヒッグス崩壊からの制約を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたダークマターの残存密度を再現するため、レプトン数の破れスケール $v_\sigma$ の許容範囲は何か？
• RQ2 LUXおよびXENON1Tの直接検出制約は、メイジョラナダークマターの実現可能なパラメータ空間にどのように影響を与えるか？
• RQ3 特に共鳴状態付近のパラメータ空間では、現在および将来の直接検出限界を回避する領域はどこか？
• RQ4 非可視ヒッグス崩壊率は、混合角および $v_\sigma$ の値にどのように制約を加えるか？
• RQ5 特にヒッグス自己結合およびスカラー質量階層に関して、コライダー探索にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 観測されたダークマターの残存密度を再現するため、レプトン数の破れスケール $v_\sigma$ は100 GeVから2 TeVの間にある必要がある。
• 混合角が小さい場合（α = 0.2）ですら、$v_\sigma = 500$ GeVは非可視ヒッグス崩壊の制約によって除外されるが、$v_\sigma = 1$–2 TeVは依然として妥当である。
• $M_N = 1$ TeVの場合、LUXによって混合角は $\alpha \lesssim 0.3$、XENON1Tの将来の限界によって $\alpha \lesssim 0.05$ に制限される。
• $M_N \sim 60$ GeVの領域は、$M_S = 1$ TeVの場合、XENON1Tによって除外され、混合角は $\alpha \lesssim 0.1$ に制限される。
• スカラーの degenerate（縮退）状態および小さな混合角（$\alpha \lesssim 0.1$）では、現在および将来の直接検出限界を回避できる。
• 共鳴状態付近（$M_N \sim M_S$）の領域は、現在の実験では制約を受けておらず、将来のXENON1Tデータに対して非常に感受性が高いため、依然として実現可能である。