[论文解读] Hiding Scalar Higgs Portal Dark Matter

Wei Chao|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种希格斯门户暗物质模型，其中包含一个复标量单重态，其CP奇数分量（a）作为暗物质候选者，由一个隐藏的$Z_2$对称性稳定。CP偶数分量（s）通过三线耦合与标准模型希格斯 boson 混合，但其真空期望值为零，从而抑制了树图级直接探测。该模型仅通过四次耦合即可实现正确的遗迹密度，直接探测截面比LUX限制低2至5个数量级，因此尽管无直接探测信号，仍具有可行性。

ABSTRACT

We investigate a Higgs portal dark matter model by extending the Standard model (SM) with a complex singlet, $S=(s+ia )/\sqrt{2}$, where $a $ is a dark matter candidate and $S$ gets no vacuum expectation value but $s$ mixies with the SM Higgs via a trilinear interaction. We point out an interesting scenario, where only quartic coupling contributes to the dark matter relic abundance and there is no tree level contribution to the direct detection. Numerical analysis shows that the direction detection cross section, which arises at the one-loop level, is about $2\sim 5$ orders below the current LUX bound. Constraints from Higgs measurements as well as collider signatures of the model at the LHC are studied.

研究动机与目标

• 解决希格斯门户模型中正确暗物质遗迹密度与严格直接探测约束之间的矛盾。
• 提出一种机制，由于真空错位和对称性保护，导致树图级直接探测被禁止。
• 证明遗迹密度可完全通过四次耦合生成，避免树图级核子散射。
• 探索大型强子对撞机（LHC）上的对撞信号，特别是单希格斯玻色子通道中的间接探测信号。

提出的方法

• 在标准模型基础上扩展一个复标量单重态$S = (s + ia)/\sqrt{2}$，其中$a$是受$U(1)$对称性保护的暗物质候选者。
• 引入三线耦合$\alpha S H^\dagger H$，使CP偶数分量$s$与标准模型希格斯玻色子混合，但不使$S$具有真空期望值。
• 使用一个部分破缺的$Z_2$对称性势能，保留对CP奇数标量$a$的$Z_2$对称性，但显式破缺对$S$的对称性，从而导致质量劈裂。
• 对ATLAS和CMS数据进行通用希格斯玻色子拟合，以约束混合角$\theta$，要求$|\theta| < 0.526$。
• 仅使用四次耦合$\lambda_s$计算暗物质遗迹密度，并在一阶量子修正下评估直接探测截面。
• 模拟LHC对撞信号，特别是$pp \to 2a + h$，以评估在单希格斯玻色子通道中的可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在无树图级直接探测的情况下，使希格斯门户暗物质模型实现正确的遗迹密度？
• RQ2 标准模型希格斯玻色子与CP偶数标量单重态之间的三线混合项对直接探测约束有何影响？
• RQ3 此类模型中直接探测截面可小至何等程度？是否能避开当前LUX限制？
• RQ4 该模型在LHC上可能的对撞信号是什么，特别是在单希格斯玻色子通道中？
• RQ5 该模型是否能通过希格斯玻色子精确测量和不可见衰变过程受到约束？

主要发现

• 直接探测截面被抑制至当前LUX限制的2至5个数量级以下，使该模型在直接探测实验中近乎不可见。
• 遗迹密度成功地仅通过四次耦合$\lambda_s$生成，且对核子的树图级散射贡献为零。
• 该模型满足希格斯测量约束，混合角$|\theta| < 0.526$由ATLAS和CMS数据的全局拟合结果确定。
• 在$\sqrt{s} = 13~{\rm TeV}$的LHC上，$pp \to 2a + h$的产生截面约为$10~{\rm fb}$，对应暗物质质量为$100~{\rm GeV}$。
• 由于复单重态无真空期望值，且CP奇数分量受隐藏$Z_2$对称性保护，该模型避免了树图级直接探测。
• 尽管无直接探测信号，该模型仍具可行性，未来可能在LHC的单希格斯玻色子通道中被发现。