[论文解读] A light Scalar Dark Matter for CoGeNT and DAMA in D_6 Flavor Symmetric Model

Yuji Kajiyama, Hiroshi Okada+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 37被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种在 $D_6$ 面向味对称的辐射 seesaw 模型中轻量级标量暗物质候选者 ($\varphi$)，其中暗物质通过 $D_6$ 奇异标量 $\rho_S$ 的 t-通道交换与核子相互作用，产生约为 $ 7 \times 10^{-41}\ \text{cm}^2 $ 的自旋无关散射截面。该模型通过 $5-10\ \text{GeV}$ 的暗物质质量解释了 CoGeNT 和 DAMA 的直接探测信号，并由于与其他中性希格斯态的混合，使得标准模型希格斯玻色子质量可为轻量级（$m_h \sim 115-200\ \text{GeV}$），从而避开 ATLAS/CMS 的约束。

ABSTRACT

We try to interpret a very light dark matter with mass of 5~10 GeV which is in favor of the recent experiments reported by CoGeNT and DAMA, in a non-supersymmetric extension of radiative seesaw model with a family symmetry D_6 x Z_2 x Z_2. We show that a D_6 singlet real scalar field can be a promising dark matter candidate, and it gives the elastic cross section σ\simeq 7x10^{-41} cm^2 which is required by these experiments. Our dark matter interacts with a D_6 singlet scalar Higgs boson, which couples only to quark sector. The dark matter-nucleon cross section and new decay mode h->DM DM can be large if the standard model Higgs boson h is light. The Higgs phenomenology is also discussed.

研究动机与目标

• 为了解释 CoGeNT 和 DAMA 实验中观测到的轻量级暗物质信号，其偏好暗物质质量为 $5-10\ \text{GeV}$。
• 构建一个具有 $D_6 \times \hat{Z}_2 \times Z_2$ 家族对称性的非超对称辐射 seesaw 模型，以稳定标量暗物质候选者。
• 调和 CoGeNT 和 DAMA 所需的直接探测截面与 LHC 约束，特别是对标准模型希格斯玻色子质量的限制。
• 表明由于与其他中性希格斯态的混合，标准模型希格斯玻色子可具有显著的不可见衰变模式 $h \to \varphi\varphi$。

提出的方法

• 引入一个具有 $D_6 \times \hat{Z}_2 \times Z_2$ 对称性的模型，包含三个希格斯双态 ($\phi_{I,S}$)、三个惰性双态 ($\eta_{I,S}$) 和一个惰性单态 ($\varphi$)，其中 $\varphi$ 由于 $Z_2$ 对称性保护而成为暗物质候选者。
• 为场分配特定的 $D_6$ 和 $Z_2$ 量子数，以确保 $\varphi$ 的稳定性，并抑制夸克扇区中的树图味改变中性流过程。
• 通过 $D_6$ 单态标量 $\rho_S$ 的 t-通道交换推导自旋无关直接探测截面，矩阵元正比于 $|\mathcal{O}_{31}|^2 \lambda_2 m_q / (M_\varphi m_h^2)$。
• 对希格斯势能和暗物质遗迹密度进行数值分析，显示当 $M_\varphi \sim 1-20\ \text{GeV}$ 时与 WMAP 约束一致。
• 评估希格斯现象学，包括 $h \to \varphi\varphi$ 的分支比，并表明由于与其他中性希格斯态的混合，标准模型希格斯玻色子质量可低于 LHC 的排除极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $D_6$ 对称的辐射 seesaw 模型中，轻量级标量暗物质候选者能否解释 CoGeNT 和 DAMA 的直接探测信号？
• RQ2 $D_6$ 单态标量 $\rho_S$ 在介导自旋无关暗物质-核子散射中起什么作用？
• RQ3 标准模型希格斯玻色子与其他中性希格斯玻色子之间的混合如何放松该模型中对标准模型希格斯玻色子质量的 LHC 约束？
• RQ4 不可见衰变通道 $h \to \varphi\varphi$ 对总希格斯分支比的贡献是多少，它如何影响希格斯现象学？

主要发现

• 该模型预测自旋无关直接探测截面为 $\sigma^{(p)}_{SI} \sim 7 \times 10^{-41}\ \text{cm}^2$，对于 $5-10\ \text{GeV}$ 的暗物质质量，与 CoGeNT 和 DAMA 数据一致。
• 最轻的 SM 希格斯玻色子质量位于 $115\ \text{GeV} \leq m_h \leq 200\ \text{GeV}$ 范围内，由于与其他中性希格斯态的混合，避开了 LHC 的排除界限。
• 当 $m_h$ 处于允许区域的较低范围时，特别是当 $|\mathcal{O}_{31}|^4 \simeq 0.13$ 时，不可见衰变模式 $h \to \varphi\varphi$ 的分支比成为第二大的衰变通道。
• 当 $M_\varphi \sim 1-20\ \text{GeV}$ 时，暗物质的遗迹密度与 WMAP 观测结果一致，$\Omega h^2$ 范围为 $0.09$ 到 $0.12$。
• 由于仅 $\phi_S$ 与夸克耦合，而所有其他希格斯态在家族对称性下均为单态，该模型避免了夸克扇区中的树图味改变中性流过程。