[论文解读] Integrating in the Higgs Portal to Fermion Dark Matter

A. Freitas, Susanne Westhoff+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文研究了通过希格斯通道与标准模型耦合的费米子暗物质（DM），重点关注具有可重整化媒介子的紫外完备模型，而非有效场论。结果表明，14 TeV 高亮度的 LHC 可探测质量低于 200 GeV 的暗物质，而未来对撞机（如 100 TeV 质子对撞机）对于更重的暗物质至关重要，尤其在结合直接探测实验时。

ABSTRACT

Fermion dark matter (DM) interacting with the standard model through a Higgs portal requires non-renormalizable operators, signaling the presence of new mediator states at the electroweak scale. Collider signatures that involve the mediators are a powerful tool to experimentally probe the Higgs portal interactions, providing complementary information to strong constraints set by direct DM detection searches. Indirect detection experiments are less sensitive to this scenario. We investigate the collider reach for the mediators using three minimal renormalizable models as examples, and requiring the fermion DM to be a thermal relic. The Large Hadron Collider in its high-energy, high-luminosity phase can probe most scenarios if DM is lighter than about 200 GeV. Beyond this scale, future high-energy experiments such as an electron-positron collider or a 100-TeV proton-proton collider, combined with future direct detection experiments, are indispensable to conclusively test these models.

研究动机与目标

• 研究费米子暗物质模型，其中与标准模型的相互作用通过希格斯通道实现，由于非可重整化耦合而需要引入新媒介子。
• 研究紫外完备模型（特别是单重态-单重态、单重态-双重态和双重态-三重态模型）如何通过热退耦机制重现观测到的遗迹密度。
• 评估这些模型中媒介子在对撞机中的探测能力，特别是 LHC 和未来高能对撞机的表现。
• 评估来自直接探测、间接探测和希格斯粒子衰变的约束，并确定有效场论描述在何时失效。
• 确定未来对撞机和直接探测实验在多大程度上能够探测具有希格斯通道相互作用的费米子暗物质的完整参数空间。

提出的方法

• 构建了三种最小可重整化紫外完备模型，用于费米子暗物质的希格斯通道：单重态-单重态、单重态-双重态和双重态-三重态模型。
• 通过退耦机制计算每种模型中的热遗迹密度，要求与观测到的暗物质丰度一致。
• 利用有效算符和圈图诱导的希格斯耦合评估直接探测率，尤其关注具有马约拉纳暗物质的双重态-三重态模型。
• 通过涉及带电和中性规范玻色子及暗费米子的一圈图，推导出圈图诱导的希格斯耦合到暗物质的解析表达式。
• 应用来自希格斯粒子不可见衰变分支比和直接探测实验的约束，对媒介子质量和耦合进行限制。
• 预测 LHC（14 TeV，3000 fb⁻¹）、未来 e⁺e⁻ 对撞机（1 TeV）以及 100 TeV 质子对撞机对媒介子态的对撞机灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 费米子暗物质通过希格斯通道相互作用是否能在可重整化紫外完备模型中一致实现，而非依赖有效场论？
• RQ2 这些模型中媒介子态的对撞机探测能力如何？其探测范围如何依赖于暗物质质量？
• RQ3 直接探测、间接探测和希格斯粒子不可见衰变的约束如何塑造这些模型的可行参数空间？
• RQ4 在何种条件下，有效场论描述在遗迹密度和对撞机现象学中会失效？
• RQ5 未来哪些对撞机和直接探测实验对于探测具有希格斯通道相互作用的费米子暗物质的完整参数空间是必要的？

主要发现

• 当媒介子和暗物质质量量级相当时，方程 (1) 中的有效场论描述在遗迹密度和对撞机现象学中会失效，必须对暗区进行完整的动力学处理。
• 在高亮度阶段（14 TeV，3000 fb⁻¹）的 LHC 可探测绝大多数质量低于 200 GeV 的暗物质情形。
• 对于质量高于 200 GeV 的暗物质，未来高能对撞机（如 100 TeV 质子对撞机或 1 TeV e⁺e⁻ 对撞机）对于探测媒介子 sector 至关重要。
• 直接探测实验对参数空间仍保持敏感，尤其是在具有圈图诱导希格斯耦合到暗物质的模型中，如双重态-三重态模型。
• 来自希格斯粒子不可见衰变的约束相对较弱，而直接探测和对撞机搜索提供了更强的限制，尤其在联合分析时效果更显著。
• 在双重态-三重态模型中，主导的直接探测信号来自圈图诱导的希格斯耦合到马约拉纳暗物质，已推导出对希格斯-暗物质顶点一阶圈修正的解析表达式。