[论文解读] Quantum corrections to the spin-independent cross section of the inert doublet dark matter

Tomohiro Abe, Ryosuke Sato|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文计算了在惰性双生模型中，当暗物质质量接近希格斯玻色子质量一半时，自旋无关的暗物质-核子散射截面的量子修正。研究发现，当由于遗迹密度要求而抑制希格斯耦合时，特别是来自电弱和标量四次相互作用（包括暗物质自相互作用）的圈图贡献，会主导树图级希格斯介导过程，显著改变直接探测信号。

ABSTRACT

The inert Higgs doublet model contains a stable neutral boson as a candidate of dark matter. We calculate cross section for spin-independent scattering of the dark matter on nucleon. We take into account electroweak and scalar quartic interactions, and evaluate effects of scattering with quarks at one-loop level and with gluon at two-loop level. These contributions give an important effect for the dark matter mass to be around m_h/2, because a coupling with the standard model Higgs boson which gives the leading order contribution should be suppressed to reproduce the correct amount of the thermal relic abundance in this mass region. In particular, we show that the dark matter self coupling changes the value of the spin-independent cross section significantly.

研究动机与目标

• 重新评估当暗物质质量接近 m_h/2 时，惰性双生暗物质的自旋无关直接探测截面，此时为满足正确的遗迹丰度，树图级希格斯耦合必须被抑制。
• 研究当希格斯耦合较小时，一阶圈级电弱修正和二阶圈胶子散射贡献的影响，这些贡献会变得主导。
• 评估标量四次耦合（特别是暗物质自相互作用耦合 λ₂）的作用，此前在以往研究中被忽略。
• 提供夸克和胶子散射振幅的完整一阶圈计算，包括暗物质与其他 Z₂ 奇态粒子之间非零质量差的情况。
• 量化圈修正与 LEP II 对惰性双生模型 sector 约束之间的相互作用。

提出的方法

• 利用 Passarino-Veltman 简化技术，通过涉及夸克和 Z/W 玻色子的一阶圈图计算核子上的自旋无关散射振幅。
• 评估通过希格斯交换贡献的二阶圈暗物质-胶子散射，表明其量级与一阶圈夸克贡献相当。
• 引入非零的标量四次耦合（包括 λ₂，即暗物质自相互作用耦合）以及 Z₂ 奇态粒子之间的质量分裂，这些会影响圈积分。
• 使用圈函数 B₀、C₀、D₀ 及其导数来表达振幅，并通过 LoopTools 的仔细解析延拓处理壳上条件。
• 应用跑代群方程和匹配条件，以确保有效理论方法的一致性。
• 在可行参数空间内对完整振幅进行数值计算，特别关注 m_A ≈ m_h/2 区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 当由于遗迹密度约束而抑制希格斯耦合时，一阶圈电弱修正如何影响自旋无关的直接探测截面？
• RQ2 在 m_A ≈ m_h/2 区域，暗物质自相互作用耦合 λ₂ 对散射截面的定量影响是什么？
• RQ3 二阶圈胶子散射贡献的量级与一阶圈夸克散射贡献相比如何？
• RQ4 非零的标量四次耦合以及 Z₂ 奇态粒子之间的质量分裂在多大程度上改变了直接探测信号？
• RQ5 当有效希格斯-暗物质耦合较小时，圈修正是否可能主导于树图级希格斯交换？

主要发现

• 当 m_A ≈ m_h/2 时，由于遗迹密度约束，树图级希格斯介导散射被抑制，导致圈修正占主导。
• 对夸克散射的一阶圈电弱修正贡献显著，尤其在希格斯耦合较小时。
• 暗物质自相互作用耦合 λ₂ 对自旋无关截面产生显著修正，可在某些区域改变截面达一个数量级。
• 二阶圈胶子散射贡献与一阶圈夸克散射量级相当，因此在振幅中不可忽略。
• 非零的标量四次耦合以及 Z₂ 奇态粒子之间的质量分裂对于准确评估振幅至关重要，不能被忽略。
• 包含所有圈修正的完整振幅导致修正后的直接探测信号，可能避开或改变 LUX 和 XENON1T 等实验的现有约束。