[논문 리뷰] Two component dark matter with multi-Higgs portals

Ligong Bian, Tianjun Li외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 17.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 35인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 표준모형과 세 개의 혼합 힉스 포털을 통해 연결되는 $SU(2)_D$ 게이지 군에서 유래한 벡터 DM과 $U(1)$ 전역 대칭에서 유래한 스칼라 DM을 포함하는 이중성분 암흑물질(DM) 모델을 제안한다. 모델은 공명형 붕괴와 두 DM 성분 간의 상호작용을 통해 정확한 잔류 밀도를 달성하며, 타당한 매개변수 영역에서 전자약력 정밀도 및 진공 안정성 제약 조건을 만족한다.

ABSTRACT

With the assistance of two extra groups, i.e., an extra hidden gauge group $SU(2)_D$ and a global $U(1)$ group, we propose a two component dark matter (DM) model. After the symmetry $SU(2)_D imes U(1)$ being broken, we obtain both the vector and scalar DM candidates. The two DM candidates communicate with the standard model (SM) via three Higgs as multi-Higgs portals. The three Higgs are mixing states of the SM Higgs, the Higgs of the hidden sector and real part of a supplement complex scalar singlet. We study relic density and direct detection of DM in three scenarios. The resonance behaviors and interplay between the two component DM candidates are represented through investigating of the relic density in the parameter spaces of the two DMs masses. The electroweak precision parameters constrains the two Higgs portals couplings ($λ_m$ and $δ_2$). The relevant vacuum stability and naturalness problem in the parameter space of $λ_m$ and $δ_2$ are studied as well. The model could alleviate these two problems in some parameter spaces under the constraints of electroweak precision observables and Higgs indirect search.

연구 동기 및 목표

• 관측된 잔류 밀도를 동시에 설명하고 전자약력 정밀도 제약 조건을 만족하는 이중성분 암흑물질 모델을 구축하기 위해.
• 서로 다른 상호작용과 힉스 매개 상호작용을 통해 벡터 및 스칼라 DM 후보 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 전자약력 정밀도 관측량과 힉스 간접 탐색 제약 조건 하에서 힉스 포털 결합 $\lambda_m$와 $\delta_2$로 정의된 매개변수 영역에서 진공 안정성과 자연성의 정도를 평가하기 위해.
• 새로운 보존 필드를 통해 강한 1차 전이를 유도하고 계층 문제를 해결할 수 있는지 모델의 타당성을 탐색하기 위해.
• 세 개의 힉스 혼합 상태(SM 힉스, 은밀한 영역 힉스, 실수 스칼라 싱เก트론)가 DM 붕괴 및 직접 탐지 횡단면에 미치는 영향을 분석하기 위해.

제안 방법

• SU(2)_D와 전역 $U(1)$ 대칭성을 포함하는 확장된 게이지 구조를 도입하여, 붕괴된 $SU(2)_D$에서 기인한 안정된 벡터 DM과 복소 싱เก트론 $\mathbb{S}$의 $Z_2$-홀드 허수 성분에서 기인한 스칼라 DM을 도출한다.
• SM 힉스, 은밀한 힉스 두중성 $\phi$의 실수 부분, 실수 스칼라 싱게트론 $S$ 간의 혼합을 포함하는 스칼라 포텐셜을 구성하여, 세 개의 혼합 힉스 상태 $h_1, h_2, h_3$를 형성한다.
• DM 두 성분이 세 힉스 상태에 대해 $\delta_1, \delta_2, \lambda_m$를 통해 효과적인 결합을 형성하며, 이는 DM 붕괴 및 직접 탐지 과정을 매개한다.
• 서로 다른 붕괴 채널 $AA \leftrightarrow VV$ 및 $VV \leftrightarrow AA$를 포함한 연립 보른만 방정식을 풀어 $Y_A$와 $Y_V$(DM 수밀도)를 계산하여 잔류 밀도를 산출한다.
• 1계 수준의 양자군 정규화군 방정식(RGEs)을 적용하여 진공 안정성과 자연성의 특성을 연구하며, $\delta_1, \delta_2, d_2, \lambda_m, \lambda, \lambda_\phi, g_\phi$의 $\beta$-함수를 분석한다.
• 모든 세 힉스 상태에서 기인하는 $t$-채널 힉스 교환을 통해 스핀-불변 DM-핵자 산란 횡단면을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 벡터 및 스칼라 상태를 포함하는 이중성분 DM 모델이 공명형 붕괴와 상호작용을 통해 관측된 잔류 밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 세 개의 힉스 포털 결합($\lambda_m, \delta_1, \delta_2$)이 상호 DM 붕괴 채널이 존재하는 조건에서 잔류 밀도와 직접 탐지율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 전자약력 정밀도 관측량과 힉스 간접 탐색 제약 조건 하에서 모델이 자연성 문제를 어느 정도 완화하고 진공 안정성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 $AA \leftrightarrow VV$ 및 $VV \leftrightarrow AA$ 붕괴 채널이 DM 수밀도의 진화와 최종 잔류 밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 세 힉스 상태 간의 혼합 각도와 질량 분리가 DM 붕괴 횡단면의 공명 증폭에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모델은 세 힉스 상태의 질량에서 공명형 붕괴를 통해 정확한 잔류 밀도를 달성하며, $t$-, $u$-, 그리고 세일갈 타입의 도형을 통해 붕괴 횡단면이 증폭된다.
• 스핀-불변 DM-핵자 산란 횡단면은 세 힉스 상태의 $t$-채널 교환에 의해 주로 결정되며, 혼합 각도 $R_{1i}, R_{2i}, R_{3i}$와 포털 결합에 의해 가중된다.
• 서로 다른 붕괴 채널인 $AA \leftrightarrow VV$ 및 $VV \leftrightarrow AA$는 연립 보른만 방정식을 통해 DM 수밀도의 진화에 상당한 영향을 미친다.
• 전자약력 정밀도 관측량은 포털 결합 $\lambda_m$와 $\delta_2$를 제약하며, 진공 안정성과 자연성이 향상되는 영역이 존재한다.
• 1계 수준 RGE 분석에서 $\delta_1, \delta_2, \lambda_m$의 $\beta$-함수는 게이지 및 요카 결합에 민감하며, 매개변수 영역의 일부에서 진공 안정성이 유지된다.
• 이중성분 DM 시나리오와의 대비에서, 특히 $AA \leftrightarrow VV$ 채널이 열리면서 잔류 밀도에 영향을 주는 두 성분 간의 상호작용으로 인해 이 모델은 독특한 특성을 띤다.