[论文解读] Can Radiative Symmetry Breaking Generate Viable Dark Matter Mass and Abundance in a Scalar Singlet Higgs Portal Extension of the Standard Model

T. G. Steele, Zhi-Wei Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2013

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

本文提出了一种标量单重态希格斯门户扩展标准模型中的辐射电弱对称性自发破缺机制，其中希格斯粒子和单重态标量粒子的质量均由动力学生成。在一阶微扰计算下，该机制对 $M_s \gtrsim 106$ GeV 的情形可产生10%–100%的暗物质丰度，满足观测到的宇宙暗物质密度，并可在下一代XENON实验中被探测到。

ABSTRACT

We consider generation of dark matter mass via radiative electroweak symmetry breaking in an extension of the conformal Standard Model containing a singlet scalar field with a Higgs portal interaction. Generating the mass from a sequential process of radiative electroweak symmetry breaking followed by a conventional Higgs mechanism can account for less than 35% of the cosmological dark matter abundance for dark matter mass $M_s>80 GeV$. However in a dynamical approach where both Higgs and scalar singlet masses are generated via radiative electroweak symmetry breaking we obtain much higher levels of dark matter abundance. At one-loop level we find abundances of 10%--100% with $106 GeV 80 GeV$ detection region of the next generation XENON experiment.

研究动机与目标

• 研究在具有标量单重态的共形标准模型扩展中，辐射电弱对称性自发破缺是否能够生成可行的暗物质质量和丰度。
• 确定希格斯场和单重态标量场的质量动力学生成机制是否能产生足够的暗物质遗迹密度。
• 评估此类暗物质在下一代直接探测实验（特别是XENON）中被探测到的可能性。

提出的方法

• 在共形标准模型中引入一个与希格斯玻色子耦合的标量单重态场，构建标量单重态希格斯门户扩展模型。
• 应用一阶微扰辐射电弱对称性自发破缺机制，动力学生成希格斯粒子和单重态标量粒子的质量。
• 利用所得标量势能，通过冻结计算（freeze-out calculation）计算暗物质遗迹丰度。
• 评估暗物质质量 $M_s > 80$ GeV 的参数空间，并将预测的丰度与观测到的宇宙暗物质密度进行比较。
• 评估下一代XENON实验在 $M_s \gtrsim 106$ GeV 范围内探测此类暗物质的能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标量单重态希格斯门户模型中，辐射电弱对称性自发破缺能否产生与观测宇宙暗物质密度一致的暗物质遗迹丰度？
• RQ2 在此模型中，通过一阶微扰辐射质量生成机制，所能实现的最大暗物质丰度是多少？
• RQ3 暗物质质量 $M_s$ 如何影响该辐射对称性自发破缺情景下的预测遗迹丰度？
• RQ4 该模型所预测的暗物质是否可在下一代XENON实验中被探测到？
• RQ5 与传统的希格斯机制情景相比，希格斯场和单重态标量场质量的动态生成是否显著增强了暗物质丰度？

主要发现

• 在辐射电弱对称性自发破缺情景下，当 $M_s \gtrsim 106$ GeV 时，可实现10%–100%的暗物质丰度，满足观测到的宇宙暗物质密度。
• 只有当希格斯场和单重态标量场的质量均通过辐射对称性自发破缺机制生成时，模型才能产生可行的暗物质丰度；若仅希格斯质量被辐射生成，则无法实现。
• 当 $M_s > 80$ GeV 时，基于传统希格斯机制的质量生成方式产生的暗物质丰度不足观测值的35%。
• 预测的暗物质质量范围 $M_s \gtrsim 106$ GeV 位于下一代XENON实验的探测灵敏度区域内。
• 与树图级或传统希格斯驱动情景相比，一阶微扰辐射机制显著增强了暗物质丰度。