[论文解读] More stringent constraints on the unitarised fermionic dark matter Higgs portal

S. Balaji, Archil Kobakhidze|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2018

Quantum and Classical Electrodynamics参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文将K矩阵幺正化方法应用于费米子型希格斯门户暗物质模型，以解决高能有效场论中的幺正性破坏问题。结果表明，幺正化显著降低了产生观测到的暗物质丰度所需的希格斯-暗物质耦合尺度Λ，从而得出结论：由于自旋无关散射截面过度产生，CP守恒模型已被当前直接探测实验完全排除。

ABSTRACT

We revisit the simplest model of Higgs portal fermionic dark matter. The dark matter in this scenario is thermally produced in the early universe due to the interactions with the Higgs boson which is described by a non-renormalisable dimension-5 operator. The dark matter-Higgs scattering amplitude grows as $\propto \sqrt{s}$, signalling a breakdown of the effective description of the Higgs-dark matter interactions at large enough (compared to the mass scale $Λ$ of the dimention-5 operator) energies. Therefore, in order to reliably compute Higgs-dark matter scattering cross sections, we employ the K-matrix unitarisation procedure. To account for the desired dark matter abundance, the unitarised theory requires appreaciably smaller $Λ$ than the non-unitarised version, especially for dark matter masses around and below the Higgs resonance, $m_χ\lesssim 65$ GeV, and $m_χ\gtrsim $ few TeV. Consequently, we find that the pure scalar CP-conserving model is fully excluded by current direct dark matter detection experiments.

研究动机与目标

• 解决费米子型希格斯门户暗物质有效场论在高能区出现的微扰幺正性破坏问题。
• 通过校正朴素有效场论（EFT）导致的湮灭截面高估，提高热生成暗物质遗迹丰度计算的可靠性。
• 使用幺正化散射振幅而非截断的有效场论，重新评估费米子型希格斯门户模型的直接探测约束。
• 确定在幺正化处理后，CP守恒的希格斯门户模型是否仍符合当前实验约束，特别是在近期直接探测极限的背景下。

提出的方法

• 对树幅散射振幅T₀应用K矩阵幺正化程序，得到幺正化振幅Tᵁ = T₀ / (1 - iT₀)，确保高能区幺正性得以保持。
• 利用幺正化Tᵁ计算热平均湮灭截面，用于暗物质遗迹丰度计算，校正朴素EFT导致的高估。
• 使用幺正化振幅计算暗物质-核子的自旋无关散射截面，包含希格斯粒子交换和动量依赖的形因子。
• 在13通道基矢中（包括hh、VV及顶夸克/底夸克/τ末态）将希格斯粒子不可见衰变和希格斯介导过程的贡献纳入完整的T矩阵。
• 通过数值方法评估S波部分波振幅和截面，利用幺正化T矩阵，考虑共振行为和高能区行为。
• 将幺正化结果与非幺正化EFT预测进行比较，并与LUX和XENON1T等实验的直接探测数据进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 K矩阵幺正化如何改变为重现观测到的暗物质遗迹密度所必需的希格斯-暗物质耦合尺度Λ？
• RQ2 幺正化对费米子型希格斯门户模型中自旋无关暗物质-核子散射截面有何影响？
• RQ3 在正确应用幺正化后，CP守恒的费米子型希格斯门户模型是否仍能通过当前直接探测约束？
• RQ4 幺正化与非幺正化EFT处理下，热平均湮灭截面有何差异？
• RQ5 在强制满足幺正性时，高能散射过程（如χχ → hh、VV）在模型现象学中扮演何种角色？

主要发现

• 幺正化后的费米子型希格斯门户模型为重现观测到的暗物质遗迹密度，所需Λ值显著小于非幺正化版本，尤其在mχ ≲ 65 GeV和mχ ≳ 几TeV时更为明显。
• 当应用幺正化时，由于自旋无关散射截面过度产生，CP守恒的希格斯门户模型已被当前直接探测实验完全排除。
• 幺正化散射振幅在高能区随√s增长，但K矩阵方法可防止幺正性破坏，并在大能量下稳定截面。
• 与朴素EFT相比，幺正化框架下的热平均湮灭截面显著降低，从而实现更精确的遗迹丰度计算。
• 幺正化动力学会改变希格斯不可见衰变宽度，但主要约束仍来自直接探测，而非希格斯不可见衰变。