[论文解读] Majorana Dark Matter in Minimal Higgs Portal Models after LUX

Maíra Dutra, C. A. de S. Pires+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用 7

一句话总结

该论文研究了一个包含一个惰性马约拉纳费米子作为暗物质的最小希格斯门户模型，该模型通过一个Z₂对称性稳定，并与一个破坏轻子数的复 singlet 标量耦合。研究发现，为匹配观测到的暗物质丰度，轻子数破坏尺度必须在100–2000 GeV之间，且识别出能够避开LUX和XENON1T直接探测限制的可行参数区域，特别是在标量共振区和小混合角附近。

ABSTRACT

We consider the Singlet Majorana fermion dark matter model, in which the standard model particles interact with the dark sector through the mixing of a singlet scalar and the Higgs boson. In this model both the dark matter and the singlet scalar carry lepton number, the latter being a bilepton. We suppose the existence of a $Z_2$ symmetry, remnant of some high energy local symmetry breaking, that stabilizes the Majorana fermion. We analyzed the parameter space of this model and found that the lepton number symmetry breaking scale, drove by the singlet scalar, is constrained to be within hundreds to thousands of GeV, so as to conform with the observed dark matter relic density. Finally, we address the direct detection and invisible Higgs decay complementarity, confronting our model with recent LUX and LHC constraints, as well as XENON1T prospects.

研究动机与目标

• 研究一个惰性马约拉纳费米子在包含复 singlet 标量的最小希格斯门户模型中作为暗物质的可行性。
• 利用近期LUX、XENON1T和隐形希格斯衰变数据，对轻子数破坏尺度和混合角进行约束。
• 探索直接探测与隐形希格斯衰变在探测该模型参数空间方面的互补性。
• 识别出与普朗克暗物质丰度和实验限制一致的参数空间区域。
• 评估未来对撞机通过测量希格斯自耦合探测该模型的可能性。

提出的方法

• 引入一个可重整化的CP守恒希格斯门户模型，包含一个惰性马约拉纳费米子和一个复 singlet 标量场。
• 施加一个Z₂对称性，以稳定马约拉纳费米子作为暗物质候选者。
• 该singlet标量获得真空期望值（vev），破坏轻子数，并为费米子生成一个马约拉纳质量。
• 使用SM希格斯与singlet标量之间的混合角α来参数化与标准模型粒子的相互作用强度。
• 对模型的四个自由参数（$M_N$, $M_S$, α, 和 $v_\sigma$，即轻子数破坏尺度）进行全局拟合。
• 应用来自普朗克（丰度）、LUX（直接探测）、XENON1T（未来直接探测）以及LHC上隐形希格斯衰变的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 为重现普朗克数据观测到的暗物质丰度，轻子数破坏尺度 $v_\sigma$ 的允许范围是什么？
• RQ2 LUX和XENON1T直接探测约束如何塑造马约拉纳暗物质的可行参数空间？
• RQ3 在参数空间的哪些区域，该模型能避开当前和未来的直接探测限制，特别是在共振区附近？
• RQ4 隐形希格斯衰变率如何约束混合角和 $v_\sigma$ 的取值？
• RQ5 该模型对对撞机探测有何影响，特别是关于希格斯自耦合和标量质量谱序？

主要发现

• 为重现普朗克数据观测到的暗物质丰度，轻子数破坏尺度 $v_\sigma$ 必须位于100 GeV至2 TeV之间。
• 即使在小混合角（α = 0.2）的情况下，$v_\sigma = 500$ GeV仍被隐形希格斯衰变约束排除，而 $v_\sigma = 1$–2 TeV仍为可行。
• 当 $M_N = 1$ TeV时，LUX将混合角限制在 $\alpha \lesssim 0.3$ 以内，而XENON1T的未来限制则将其进一步收紧至 $\alpha \lesssim 0.05$。
• 若 $M_S = 1$ TeV，$M_N \sim 60$ GeV区域被XENON1T排除，且混合角被约束在 $\alpha \lesssim 0.1$ 以内。
• 标量简并情况和小混合角（$\alpha \lesssim 0.1$）使该模型能够避开当前和未来的直接探测限制。
• 靠近 $M_N \sim M_S$ 的共振区域仍为可行，且不受当前实验约束，但对未来的XENON1T数据极为敏感。