[論文レビュー] The funnel annihilations of light dark matter and the Higgs invisible decay

Kun Wang, Jingya Zhu|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、半制約的NMSSMにおける光るダークマター（LSP）を研究し、正しい残存密度を再現できる4つのファンネル消失機構—$h_2$、$Z$、$h_1$、$a_1$—を特定した。その結果、$h_1/a_1$ ファンネルでは見えないヒッグス崩壊が最大で2%に制限され、$Z$ および $h_2$ ファンネルでは最大で1%に制限されることが判明した。これは、HL-LHCで見えないヒッグス崩壊が発見された場合、LSPが唯一のダークマター成分である限り、4つの機構すべてが除外されることを示唆している。

ABSTRACT

The semi-constrained NMSSM (scNMSSM), or NMSSM with non-universal Higgs masses, can naturally predict a light dark matter under current constraints including Higgs data, sparticle-mass bounds, dark matter searches, and muon g-2, etc. In this work, we take this scenario of scNMSSM as an example to study the funnel-annihilation mechanisms of light dark matter ($1\! hicksim\!62$ GeV) and the invisible Higgs decay. In this scenario we found that: (i) There can be four funnel-annihilation mechanisms for the LSP $ ilde{\chi}^0_1$, which are the $h_2$, $Z$, $h_1$ and $a_1$ funnel. (ii) For the $h_1$ and $a_1$ funnel with right relic density, the $ ilde{\chi}^0_1$ mass is lighter than 12 GeV, and the invisible Higgs decay can be $2\%$ at most. (iii) For the $h_2$ and $Z$ funnel with right relic density, the invisible Higgs decay can be about $0.4\%$ and $1\%$ respectively at most. (iv) If the invisible Higgs decay was discovered at the HL-LHC, the four funnel-annihilation mechanisms of light dark matter may be all excluded with $ ilde{\chi}^0_1$ as the only dark matter source. Four benchmark points, one for each mechanism, are proposed for future checking with updated experimental results.

研究の動機と目的

• 現在の実験的制約のもとで、軽いダークマター（1–62 GeV）が半制約的NMSSMに実現可能かどうかを調査すること。
• このモデルにおける最軽い超対称粒子（LSP）の可能性のあるすべてのファンネル消失機構を特定し、分析すること。
• 残存密度とその他の制約を満たす条件下で、各消失チャネルが許容する最大の見えないヒッグス崩壊分岐比を定量化すること。
• 将来的にHL-LHCで見えないヒッグス崩壊が発見された場合、これらの軽いダークマター状況に与える影響を評価すること。

提案手法

• Higgs質量が非一様であることを許容することで、Higgsデータとダークマター制約をよりよく適合できる半制約的NMSSM（scNMSSM）を採用する。
• LHCのヒッグス信号強度、スパーティクル質量の下限、ダークマター直接および間接検出限界、およびミュオン $g-2$ 測定値を含む、実験データのグローバルフィットを実施する。
• すべての可能な消失チャネルを介してLSPの残存密度を計算し、特に $h_2$、$Z$、$h_1$、$a_1$ 共鳴に注目する。
• ヒッグスポータル結合と質量差を用いて、各妥当なシナリオにおける見えないヒッグス崩壊幅 $\Gamma(H \to \text{inv})$ を評価する。
• LHCおよびダークマター実験からの制約を適用し、許容されるパラメータ領域を同定する。
• 今後の実験的検証のため、各ファンネル機構ごとに1つのベンチマーク点（合計4点）を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 scNMSSMモデルにおける軽いダークマターのための実現可能なファンネル消失機構は何か？
• RQ2 正しい残存密度とその他の制約を満たす条件下で、各ファンネル消失チャネルが許容する最大の見えないヒッグス崩壊分岐比は何か？
• RQ3 残存密度が正しく再現された場合、$h_1$ および $a_1$ ファンネル機構がLSP質量と見えないヒッグス崩壊をどのように制約するか？
• RQ4 もしHL-LHCで見えないヒッグス崩壊が発見された場合、scNMSSMにどのような影響を与えるか？
• RQ5 将来的な見えないヒッグス崩壊の観測によって、4つのファンネル消失機構が同時に除外可能か？

主な発見

• LSP $\tilde{\chi}^0_1$ のための4つのファンネル消失機構—$h_2$、$Z$、$h_1$、$a_1$—が特定された。
• $h_1$ および $a_1$ ファンネルで正しい残存密度を満たす場合、LSP質量は12 GeV未満に制限され、見えないヒッグス崩壊は最大で2%に制限される。
• $h_2$ および $Z$ ファンネルで正しい残存密度を満たす場合、見えないヒッグス崩壊はそれぞれ最大で0.4%および1%に制限される。
• もしHL-LHCで見えないヒッグス崩壊が発見された場合、LSPが唯一のダークマター源であれば、4つのファンネル消失機構すべてが除外されることになる。
• 今後の実験的検証のため、各ファンネル機構ごとに1つのベンチマーク点（合計4点）が提案された。
• 現在の制約のもとではモデルは妥当性を保っているが、将来的なヒッグスデータによって、これらのファンネル機構を通じて、軽いダークマターの全クラスが除外される可能性がある。