[论文解读] Scalar Dark Matter and Electroweak Stability

D. Demir, Cem Salih Ün|arXiv (Cornell University)|May 7, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 30被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种机制——质量简并驱动统一（MDDU），其中实单态标量暗物质候选者通过确保标量与希格斯玻色子质量简并时四次耦合统一，从而稳定电弱能标。模拟表明，该框架满足对撞机和天体物理约束，使暗物质候选者具有抑制的希格斯隐形衰变和可检验的直接/间接探测信号。

ABSTRACT

The standard model of elementary particles (SM), despite experimental completion at the LHC, needs to be extended for various physical reasons, including the cold dark matter (DM). Each extension comes with its scale and mechanism, and typically lifts, at the loop level, the electroweak scale towards its high scale. The problem is to keep the electroweak scale stable while providing a room for the aforementioned heavy extensions. To this end, it turns out that the SM Higgs sector remains stable in the presence of a heavy scalar if their quartic couplings unify at a certain scale when their masses are degenerate. Under this mass-degeneracy-driven unification (MDDU), the scalar under concern is found to qualify as a viable DM candidate and to leave the electroweak scale stable. Our detailed simulation studies explicitly show that the MDDU parameter space agrees with current collider and astrophysical bounds. Our work can be extended to other relevant scalars (like flavons, inflaton and others) as a mechanism by which the electroweak scale is held stable.

研究动机与目标

• 通过确保希格斯玻色子质量在重的BFSM新物理 sector的紫外修正下保持稳定，解决电弱层次问题。
• 识别一个与当前宇宙丰度、直接探测和隐形希格斯衰变实验限制一致的可行标量暗物质候选者。
• 证明当希格斯玻色子与一个实单态标量质量简并时，四次耦合统一，从而抑制破坏稳定性的圈修正。
• 表明MDDU机制可实现SM-BFSM耦合的层级微小，避免精细调节或传统BFSM对称性。
• 通过LHC、LUX-Zeplin和Fermi-LAT实验的约束，探索该模型的理论可行性。

提出的方法

• 在标准模型希格斯玻色子与一个实单态标量S之间施加质量简并，以在高能标触发四次耦合统一。
• 使用维数正则化和${\overline{\text{MS}}}$重整化计算希格斯质量的圈修正，表明$\delta m_H^2 \propto \lambda_{HS} m_S^2 \log(m_S^2/Q^2)$。
• 应用MDDU条件，强制在$m_S \to \infty$时$\lambda_{HS} \to 0$，从而实现希格斯质量位移的跷跷板式抑制。
• 对参数空间进行盲扫描，以识别与观测到的暗物质丰度一致的区域。
• 通过核子的自旋无关散射评估直接探测截面，重点关注$SS \to bb$、$\tau\tau$、$WW$、$ZZ$、$hh$和$tt$通道。
• 通过$SS \to bb$、$\tau\tau$和$WW$湮灭分析间接探测信号，将预测速率与Fermi-LAT数据及预测结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在重标量BFSM新物理 sector的情况下，电弱能标是否能在不需精细调节的前提下保持稳定？
• RQ2 在何种条件下，实单态标量可作为可行的暗物质候选者，同时保持电弱稳定性？
• RQ3 希格斯玻色子衰变为$SS$的隐形衰变对$\lambda_{HS}$耦合有何约束，MDDU能否自然满足这些限制？
• RQ4 标量暗物质候选者的直接和间接探测信号是什么，它们是否可在当前或未来实验中被检验？
• RQ5 MDDU机制能否推广至其他标量场（如暴胀子或味子），对BFSM物理有何影响？

主要发现

• MDDU机制通过确保希格斯-单态耦合$\lambda_{HS}$随$m_S$增大而减小，从而有效抑制紫外修正，稳定希格斯玻色子质量。
• 当$m_S = 50$、$80$或$300$ GeV时，该模型产生与普朗克数据一致的可行暗物质丰度，尤其在$m_h/2$附近共振区域。
• 由于MDDU条件，希格斯玻色子的隐形分支比自然地抑制在10%以下，无需外部约束。
• 自旋无关直接探测截面预测值略低于当前LUX-Zeplin排除曲线，使其在后续运行中可被检验。
• 当$m_S \gtrsim 80$ GeV时，$WW$末态湮灭占总速率的约80%，预计将在未来Fermi-LAT升级中被探测。
• $SS \to bb$和$SS \to \tau\tau$通道的平均截面略低于当前Fermi-LAT排除极限，未来15年预测可能检验这些信号。