[论文解读] Direct detection of pseudo-Nambu-Goldstone dark matter in a two Higgs doublet plus singlet extension of the SM

Thomas Biekötter, Pedro Gabriel+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 2

一句话总结

本文在扩展了复数单重态的两Higgs双重态模型（S2HDM）中计算了暗物质-核子散射的一圈电弱修正，其中暗物质为伪Nambu-Goldstone玻色子。尽管由于U(1)对称性导致树图截面为零，圈修正仍生成非零散射率，未来直接探测实验（如Darwin）有望探测到相当大一部分可行参数空间，特别是当单重态希格斯粒子质量与U(1)对称性自发破缺的真空期望值相近时。

ABSTRACT

We calculate the leading radiative corrections to the dark-matter-nucleon scattering in the pseudo-Nambu-Goldstone dark matter model augmented with a second Higgs doublet (S2HDM). In this model, the cross sections for the scattering of the dark-matter on nuclei vanishes at tree-level in the limit of zero momentum-transfer due to a U(1) symmetry. However, this symmetry is softly broken in order to give a mass to the dark-matter particle. As a consequence, non-vanishing scattering cross sections arise at the loop level. We find that the current cross-section limits from dark-matter direct-detection experiments can hardly constrain the parameter space of the S2HDM. However, the loop-corrected predictions for the scattering cross sections can be well within the reach of future direct-detection experiments. As a consequence, future phenomenological analyses of the S2HDM should take into account cross-section predictions beyond tree-level and the experimental constraints from dark-matter direct-detection experiments.

研究动机与目标

• 研究在具有复数单重态场的两Higgs双重态模型中，暗物质-核子散射的主导辐射修正。
• 评估当前或未来直接探测实验是否能够约束具有伪Nambu-Goldstone暗物质的S2HDM的参数空间。
• 确定圈修正在树图因U(1)对称性而被抑制的情况下，如何生成非零散射截面。
• 探讨在不同模型类型（I、II、LS、F）中，散射振幅对夸克种类和Yukawa结构的依赖性。

提出的方法

• 该模型在标准模型基础上扩展了两个Higgs双重态和一个复数单重态，通过软性地破缺全局U(1)对称性，使暗物质粒子获得质量。
• 暗物质候选者来自单重态的虚部，而实部获得真空期望值，并与CP偶的希格斯态发生混合。
• 由于U(1)对称性，在零动量转移极限下，树图散射振幅为零，但一阶圈电弱修正生成了非零截面。
• 使用有效拉格朗日量方法计算一阶圈修正，振幅由t通道中的希格斯交换导出。
• 在理论约束（真空稳定性、微扰性）和实验限制（希格斯 sector、暗物质遗迹密度）下进行了完整的参数扫描。
• 将结果与当前（XENON1T、PandaX-4T、LZ）和未来（Darwin）直接探测灵敏度进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在树图抑制，一阶圈电弱修正是否能在S2HDM中生成可观测的暗物质-核子散射截面？
• RQ2 S2HDM的哪些参数区域可被当前和未来的直接探测实验探测到？
• RQ3 在S2HDM中，散射振幅如何依赖于Yukawa类型（I、II、LS、F）和夸克味？
• RQ4 mhS/vS比值在决定圈修正诱导截面大小方面起什么作用？
• RQ5 是否存在与观测到的暗物质遗迹密度一致且可被未来实验探测到的参数点？

主要发现

• 当前直接探测实验（如XENON1T、PandaX-4T和LZ）无法探测到与观测到的暗物质遗迹密度一致的S2HDM中任何可行的参数点。
• 未来实验（如Darwin）有望探测到大部分因圈修正导致的暗物质-核子散射截面的参数空间。
• 当mhS/vS比值不呈现强烈层次结构时，圈修正截面可能大到可被探测，其中mhS为具有最大单重态混杂成分的希格斯粒子质量，vS为U(1)对称性破缺的真空期望值。
• 由于I、II、LS和F型中Yukawa耦合结构不同，散射振幅对夸克种类有依赖性，可能通过在不同核素上的散射实现对不同模型的区分。
• 在最大可实现的散射截面或可探测参数空间方面，未发现I型与II型模型之间存在显著差异。
• 通过一致性检查（如t→0极限下振幅为零，无需反项修正）确认了树图无散射与圈修正存在非零振幅的物理一致性。