[論文レビュー] The Higgs-portal for Dark Matter:effective field theories versus concrete realizations

Giorgio Arcadi, A. Djouadi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 92被引用数 39

ひとこと要約

この論文は、スカラー、フェルミオン、ベクトルDMのシナリオにおいて、UV完全な実装と比較することで、ダークマター（DM）の有効なヒッグス・ポータルモデルの妥当性を評価する。重い追加スカラー状態が存在する限り、有効場理論（EFT）アプローチは、特にLHCにおける見えないヒッグス崩壊探索において、依然として頑健で一貫性があることが判明した。しかし、リリック密度制約により、非熱的メカニズムが導入されない限り、適用範囲は狭い領域に限られる。

ABSTRACT

Higgs-portal effective field theories are widely used as benchmarks in order to interpret collider and astroparticle searches for dark matter (DM) particles. To assess the validity of these effective models, it is important to confront them to concrete realizations that are complete in the ultraviolet regime. In this paper, we compare effective Higgs-portal models with scalar, fermionic and vector DM with a series of increasingly complex realistic models, taking into account all existing constraints from collider and astroparticle physics. These complete realizations include the inert doublet with scalar DM, the singlet-doublet model for fermionic DM and models based on spontaneously broken dark SU(2) and SU(3) gauge symmetries for vector boson DM. We also discuss the simpler scenarios in which a new scalar singlet field that mixes with the standard Higgs field is introduced with minimal couplings to isosinglet spin--$0, \frac12$ and 1 DM states. We show that in large regions of the parameter space of these models, the effective Higgs-portal approach provides a consistent limit and thus, can be safely adopted, in particular for the interpretation of searches for invisible Higgs boson decays at the LHC. The phenomenological implications of assuming or not that the DM states generate the correct cosmological relic density are also discussed.

研究の動機と目的

• UV完全理論の観点から、ダークマターの有効なヒッグス・ポータルモデルの妥当性を評価すること。
• スカラー、フェルミオン、ベクトルDMの実現における、実際の可微分可能なUV完備化と対比した場合に、EFTの予測が一貫性を保つ条件を調査すること。
• 特に見えないヒッグス崩壊およびリリック密度に関して、有効理論がDMの臨床的性質を正確に記述できる条件を特定すること。
• 軽いスカラー媒介子に依存せずに、観測された宇宙論的DMリリック密度がUV完全モデルで自然に達成可能かどうかを調査すること。

提案手法

• スカラーDM、フェルミオンDM、ベクトルDMの有効ヒッグス・ポータルモデルを、それぞれのUV完全実装（スカラー：不活性ヒッグス二重項、フェルミオン：シングレット・ダブルトモデル、ベクトルDM：ダークU(1)、SU(2)、SU(3)ゲージ理論）と比較する。
• LHCにおける見えないヒッグス崩壊探索、直接検出（XENON1T、XENONnT、DARWIN）、およびリリック密度測定（Planck）からの制約を分析する。
• 理論的整合性を評価する基準として、摂動的ユニタリティと可微分性を用いる。
• モデルのパラメータ空間をスキャンし、EFTの予測がUV完備理論のものと一致するかを評価する。
• 追加のスカラー状態（例：標準模型ヒッグスとの混合）が軽い場合にEFTの妥当性を損なう役割を検討する。
• DM成分の混合（例：ベクトルDM＋不安定なΨ状態）が、コライダーおよび直接検出観測量に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 追加のスカラー状態が重い場合、有効ヒッグス・ポータルモデルがUV完全DM理論の有効な近似として成立する条件は何か？
• RQ2 軽いスカラー媒介子を必要としないUV完全モデルでも、観測された宇宙論的リリック密度を達成可能か？
• RQ3 見えないヒッグス崩壊および直接検出において、EFTの臨床的予測とUV完備モデルの予測はどのように比較されるか？
• RQ4 追加のベクトルまたはスカラー状態がEFTの極限を損なう役割を果たすのはどのような場合か？また、それらはいつ安全に無視できるか？
• RQ5 複数のDM成分（例：SU(3)ダークセクター）を含むモデルでは、EFT記述が依然として主要なコライダー臨床的性質を捉えられるか？

主な発見

• 追加のスカラー状態が重い（TeV領域）場合、スカラー、フェルミオン、ベクトルDMのすべてのモデルにおいて、有効ヒッグス・ポータルアプローチは一貫した極限を提供し、LHCにおける見えないヒッグス崩壊探索への応用が正当化される。
• ベクトルDMの文脈では、SU(3)ダークゲージ群モデルが、安定なベクトルDMとより軽い不安定なΨ状態を同時に持つことができ、軽いスカラー媒介子を必要とせずに正しいリリック密度を達成可能である。
• SU(3)モデルにおいて、DMとΨ状態の質量が近く、コライダー探索では単一の有効状態として扱われるため、EFTの一貫性が保たれる。
• スカラー・ヒッグス・ポータルは、DM-核子散乱断面積におけるキャンセル機構のため、有効なEFT極限として成立しない。
• フェルミオンおよびベクトルDMの状況では、EFTの妥当性が破綻するのは、追加のスカラー媒介子が軽い場合に限られ、これはユニタリティおよび実験的制約によって除外される。
• 直接検出および見えないヒッグス崩壊の相関関係に関しては、EFTは頑健に保たれるが、ヒッグス極付近や軽いDMのような狭い領域では、リリック密度制約により非熱的DM生成または軽いスカラーが必要となる。