[论文解读] Reconciling Higgs physics and pseudo-Nambu-Goldstone dark matter in the S2HDM using a genetic algorithm

Thomas Biekötter, María Olalla Olea-Romacho|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 171被引用 55

一句话总结

该论文提出了一种单重态扩展的两Higgs双重态模型（S2HDM），在满足Higgs扇区约束的前提下实现了伪Nambu-Goldstone（pNG）暗物质（DM）。通过遗传算法，证明该模型可同时解释测量到的暗物质丰度、通过动量抑制散射避开直接探测限制，并容纳LEP和CMS在96 GeV处的过剩信号，所有结果均处于微扰和真空稳定性边界内。

ABSTRACT

We investigate a possible realization ofpseudo-Nambu-Goldstone (pNG) dark matterin the framework of a singlet-extended 2 Higgsdoublet model (S2HDM). pNG dark matter gainedattraction due to the fact that direct-detectionconstraints can be avoided naturally because of themomentum-suppressed scattering cross sections,whereas the relic abundance of dark matter cannevertheless be accounted for via the usual thermalfreeze-out mechanism. We confront the S2HDM witha multitude of theoretical and experimentalconstraints, paying special attention to thetheoretical limitations on the scalar potential,such as vacuum stability and perturbativity.In addition, we discussthe complementarity between constraintsrelated to the dark matter sector, on theone hand, and to the Higgs sector, on the other hand.In our numerical discussion we explore theHiggs funnel region with dark mattermasses around 60GeV using a genetic algorithm.We demonstrate that the S2HDM can easilyaccount for the measured relic abundance whilebeing in agreement with all relevant constraints.We also discuss whether the so-calledcenter-of-galaxy excesses can beaccommodated,possibly incombination with a Higgsboson at about 96GeV that can be the originof the LEP- and the CMS-excess observed at this massin the $b \bar b$-quark andthe diphoton final state, respectively.

研究动机与目标

• 探索在S2HDM框架下伪Nambu-Goldstone（pNG）暗物质的可行实现。
• 调和观测到的暗物质丰度与严格的实验和理论约束。
• 研究S2HDM是否能解释LEP和CMS数据中在b¯b和二光子末态下观测到的96 GeV过剩信号。
• 评估Higgs扇区与暗物质扇区约束之间的互补性。
• 开发并公开发布一个Python工具包s2hdmTools，用于模型分析与约束应用。

提出的方法

• 采用遗传算法扫描S2HDM参数空间，重点关注DM质量接近60 GeV的Higgs喷泉区域。
• 应用理论约束，包括真空稳定性、1 TeV以下的微扰性，以及四次耦合的树幅单位性边界。
• 使用HiggsBounds和HiggsSignals软件包测试与LHC Higgs信号强度测量的相容性。
• 利用MicrOmegas和MadDM计算暗物质丰度，并测试来自矮椭圆星系的间接探测约束。
• 利用s2hdmTools Python工具包自动化应用参数空间中的理论与实验约束。
• 通过从标量混合角导出的旋转矩阵，将拉格朗日量参数转换为物理质量与混合角。

实验结果

研究问题

• RQ1 S2HDM中的pNG暗物质能否同时满足测量到的暗物质丰度并避开直接探测限制？
• RQ2 在保持微扰单位性与真空稳定性的情况下，S2HDM是否能解释LEP中b¯b末态和CMS中二光子末态的96 GeV过剩信号？
• RQ3 微扰性（至1 TeV）与真空稳定性等理论约束如何影响S2HDM中pNG DM的可行参数空间？
• RQ4 该模型能否在不违反现有天体物理限制的前提下，同时解释银河系中心过剩与反质子过剩？
• RQ5 与单重态模型相比，第二个Higgs双重态对暗物质湮灭截面与丰度有何影响？

主要发现

• S2HDM能够成功重现测量到的暗物质丰度（Ωh² = 0.119 ± 0.003），同时满足所有理论与实验约束。
• 由于pNG暗物质的动量抑制型DM-核子散射，该模型自然地避开了直接探测限制，这是pNG暗物质的关键特征。
• 一个类单重态的CP偶性Higgs玻色子（质量为96 GeV）可同时解释LEP的b¯b过剩与CMS的二光子过剩，前提是mχ > m_h125/2，以保证与125 GeV Higgs的足够混合。
• 该模型在1 TeV以下保持微扰性，重标量质量差（H±, A, h2,3）被限制在约100 GeV以内，使谱系趋于解耦极限。
• 原则上可同时解释96 GeV对撞机过剩信号与宇宙射线异常（银河系中心与反质子过剩），但此类点因矮椭圆星系的观测而被排除。
• 本研究公开发布了一个Python工具包s2hdmTools，集成了HiggsBounds、HiggsSignals、MicrOmegas与MadDM，用于自动化模型验证与约束测试。