[論文レビュー] Two Higgs doublet models with local U(1)_H gauge symmetry and dark matter

Pyungwon Ko, Yuji Omura+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、2HDMにおけるソフト破れZ2対称性およびIDMにおける正確なZ2対称性の起源として、局所的U(1)Hゲージ対称性の自発的破れを有する2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）を提案する。このモデルは、ZHゲージボソンへの新たな結合チャンネルを介して、mH ≲ 40 GeVの軽いダークマター候補を許容する。これは、標準的IDMでは運動論的制約および直接検出制約により除外されるが、本モデルではそれが可能となる。このことは、宇宙論的および加速器実験データと整合する実現可能なダークマターの場面を提供する。

ABSTRACT

We propose to implement the softly broken Z_2 symmetry in the usual two Higgs doublet model (2HDM) to spontaneously broken local U(1)_H gauge symmetry, and show that the resulting phenomenology can be very rich and is distinctly different from the usual 2HDMs. Likewise, the exact Z_2 symmetry in ordinary inert doublet model (IDM) could be a remnant of spontaneously broken local U(1)_H symmetry stabilizing dark matter (DM). In this case, new channels for DM pair annihilation into U(1)_H gauge boson(s) open up, allowing the DM mass below \lesssim 40 GeV, unlike the usual IDM.

研究の動機と目的

• 2HDMにおけるフラバー不変性中性荷電現在（FCNC）問題を、便宜的なZ2対称性を導入せずに解決すること。
• 局所的U(1)Hゲージ対称性の自発的破れによって、2HDMにおけるソフト破れZ2対称性の動的起源を提供すること。
• このメカニズムをインertダブルレットモデル（IDM）に拡張し、U(1)Hの残余Z2対称性によってダークマターを安定化させること。
• 特に、U(1)Hに基づくIDMにおける軽いダークマターの実現可能性を含めた現象的結果を調査すること。
• U(1)Hに基づくIDMと標準的Z2に基づくIDMの間で、特に軽いダークマター領域における再結合密度および散乱断面積の予測を比較すること。

提案手法

• ヒッグスダブルレットと標準模型スレッドのスカラーΦがU(1)Hゲージ対称性のもとで電荷を有するように設定し、U(1)Hの自発的対称性破れ後にΦが真空期待値（VEV）をとることを実装する。
• H†₁H₂Φのような項を含むU(1)H不変なヒッグスポテンシャルを構築し、U(1)Hの破れ後にソフトZ2破れ項が生成されることを保証する。
• 追加のカイラルフェルミオンを導入して異常キャンセリングを確保し、そのうちの1つが寒冷暗黒物質候補として機能する可能性がある。
• U(1)Hの破れに起因する残余Z2対称性を用いて、インエイントヒッグスダブルレットの電気的に中性な成分をダークマターとして安定化させる。
• 再結合密度およびダークマター散乱断面積を計算し、HH → ZHZHやHH → ZZHのような新しいチャンネルを含む。
• LHCヒッグス信号強度、電弱精度観測量、不可視ヒッグス崩壊、直接検出（LUX）、Fermi-LATガンマ線データ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 2HDMにおけるソフト破れZ2対称性は、局所的U(1)Hゲージ対称性の自発的破れによって動的に生成可能か？
• RQ2 U(1)Hに基づくIDMは、40 GeV未満の質量を持つ実現可能なダークマター候補を許容するか？（標準的IDMでは除外される。）
• RQ3 HH → ZHZHおよびHH → ZZHのような新しい散乱チャンネルは、U(1)Hに基づくIDMにおける再結合密度および直接検出制約にどのような影響を及けるか？
• RQ4 U(1)HゲージボソンとZボソンの混合は、ヒッグス信号強度および実験的制約にどのような影響を及えるか？
• RQ5 U(1)Hに基づく2HDMの現象論は、タイプIフェルミオフィリックな状況における標準的Z2対称性を持つ2HDMとどのように異なるか？

主な発見

• タイプIフェルミオフィリック構造を有するU(1)Hに基づく2HDMは、LHCヒッグス信号強度データ（CMS 1σ、ATLAS 2σ）と整合的であり、μggγγ ≲ 0.4の領域で区別可能である可能性を示す。
• 本モデルは、mH ≲ 40 GeVの軽いダークマター候補を許容するが、これは標準的IDMでは直接検出および共励起制約により除外される。
• 軽いHの状況では、主要な散乱チャンネルHH → ZHZHが再結合密度を実現可能にし、mH ≈ mZHの条件を満たす。また、Fermi-LATガンマ線データの制約を満たす。
• U(1)Hに基づくIDMにおける再結合密度は、追加のZHゲージボソンへの散乱チャンネルのおかげで、標準的IDMよりもわずかに低くなる。
• 特にmH ≲ 40 GeVの領域において、U(1)Hに基づくIDMは標準的IDMよりも軽いダークマターの許容パラメータ空間が広がる。
• U(1)Hに基づくIDMは、自発的対称性破れに起因するZ2対称性のドメインウォール問題を回避し、対称性の自然な起源を提供する。