[论文解读] Inert Doublet Model with a 125 GeV Higgs

Maria Krawczyk, Dorota Sokołowska+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文研究了惰性双生模型（IDM）作为标准模型的可行扩展，可容纳125 GeV的希格斯玻色子和稳定的中性标量暗物质候选者。研究发现，只有当隐形衰变被关闭时，希格斯玻色子的二光子衰变率才可能增强，这要求暗物质和带电标量粒子的质量低于154 GeV，且识别出一个参数区域，其具有强烈的电弱相变，与XENON-100实验约束一致，并能正确再现暗物质的遗迹密度。

ABSTRACT

A 125 GeV Higgs-like particle discovered at the LHC in 2012 has properties expected for it in the Standard Model (SM), with a possible enhancement in the two-photon channel. Such SM-like Higgs scenario can be realized within the Inert Doublet Model (IDM) - a version of the Two Higgs Doublet Model with an exact discrete D (Z_2-type) symmetry. In this model one SU(2) doublet plays the role of the SM Higgs doublet with one SM-like Higgs boson. The second doublet has no vacuum expectation value and does not interact with fermions. Among four scalars constituting this D-odd doublet the lightest one is stable, being if neutral a good DM candidate with the right relic density. In this paper an analysis of the two-photon Higgs decay rate in IDM, respecting theoretical and other experimental constraints, is presented. The enhancement in the two-photon channel is possible only if invisible channels are closed, with the enhancement R_{γγ}>1.2 for masses of DM and charged scalars below 154 GeV. The temperature evolution of the Universe to the Inert phase (described by the IDM) in T^2 approximation is presented and all possible sequences of phase transitions in one, two and three steps are analyzed. Going beyond this approximation by using an effective potential approach with one-loop T=0 Weinberg-Coleman term and temperature dependent effective potential at T ot =0 we address the question, whether the strong first-order phase transition needed for baryogenesis can be realized in IDM. A region with a good DM relic density and a strong first-order phase transition is established, and discussed in the light of the XENON-100 data.

研究动机与目标

• 探索惰性双生模型（IDM）作为大型强子对撞机（LHC）发现的125 GeV希格斯玻色子的实现方案。
• 分析在理论与实验约束下，IDM中希格斯玻色子衰变为两个光子（h→γγ）的衰变率增强的可能性。
• 确定IDM是否能够支持强烈的电弱一阶相变，以满足电弱重子生成的需求，同时保持正确的暗物质遗迹密度。
• 评估IDM与XENON-100直接探测数据的兼容性，特别是对h-HH耦合的约束。

提出的方法

• 本研究采用具有Z₂型离散对称性的D对称双希格斯双重模型（2HDM），确保惰性双重态不获得真空期望值，且最轻的标量粒子稳定。
• 采用有效势方法，超越T²近似，引入一阶量子修正（Coleman-Weinberg项）和来自环图的温度依赖性贡献。
• 在(μ₁, μ₂)参数平面上分析相变序列，识别出具有单步、双步或三步相变的区域，特别关注从标准模型类似相到惰性相的转变。
• 通过数值计算确定暗物质候选者的遗迹密度，确保其与观测到的宇宙学值一致。
• 利用涉及带电和中性标量的圈修正，评估希格斯玻色子的二光子衰变率，同时考虑来自LHC和XENON-100的约束。
• 通过条件v(T_EW)/T_EW > 1量化电弱相变的强度，表明为强烈的电弱一阶相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 惰性双生模型能否在与LHC数据一致的前提下，解释观测到的125 GeV希格斯玻色子的增强二光子衰变率？
• RQ2 在何种条件下，IDM能够支持电弱重子生成所必需的强烈一阶电弱相变？
• RQ3 IDM中的哪些参数区域可实现正确的暗物质遗迹密度，同时满足XENON-100实验的约束？
• RQ4 在IDM中，早期宇宙的相变历史如何演变，特别是超越T²近似时？
• RQ5 h-HH耦合（λ₃₄₅）在介导增强的h→γγ衰变中起什么作用，其与暗物质质量及直接探测限制之间有何相互作用？

主要发现

• 只有当隐形衰变在动力学上被关闭时，希格斯玻色子的二光子衰变率才可能增强（Rγγ > 1.2），这要求暗物质和带电标量粒子的质量低于154 GeV。
• 在IDM参数空间中存在一个区域，其可实现正确的暗物质遗迹密度，且电弱相变足够强烈（v(T_EW)/T_EW > 1），从而支持电弱重子生成。
• 对于65 GeV的暗物质质量，假设简并时，较重的暗标量（A和H±）的质量范围在275至380 GeV之间。
• 为与XENON-100直接探测数据一致，耦合常数λ₃₄₅必须小于0.1，尤其对65 GeV的暗物质候选者而言。
• 在允许的参数区域内，相变通过从标准模型类似相到惰性相的单步转变完成，排除了多步相变的可能性。
• 尽管模型本身不具有内在的CP破坏，但该模型仍能支持与观测到的希格斯性质和暗物质丰度相兼容的强烈一阶相变。