[论文解读] Scale-Invariant Two Component Dark Matter

Seyed Yaser Ayazi, Ahmad Mohamadnejad|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 27被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种在规范场论中具有经典尺度不变性的标准模型扩展框架下的尺度不变两组分暗物质模型，包含一个标量和一个旋量暗物质粒子，通过标子场相互作用。结果表明，旋量组分主导了观测到的暗物质丰度，而直接探测、隐形希格斯衰变和自相互作用的约束有助于排除参数空间的某些区域，从而提供一个自由参数更少的最小化框架。

ABSTRACT

We study a scale invariant extension of the standard model which can explain simultaneously dark matter and the hierarchy problem. In our set-up, we introduce a scalar and a spinor as two-component dark matter in addition to scalon field as a mediator. Interesting point about our model is that due to scale invariant conditions, compared to other two-component dark matter models, it has lower independent parameters. Possible astrophysical and laboratory signatures of two-component dark matter candidate are explored and it is shown that the most contribution of observed relic density of dark matter can be determined by spinor dark matter. Detectability of these dark matter particles is studied and the direct and invisible Higgs decay experiments are used to rule out part of the parameter space of the model. In addition, the dark matter self-interactions are considered and shown that their contribution saturate this constraint in the resonant regions.

研究动机与目标

• 在基于经典尺度不变性的单一最小化框架内，同时解决层次问题与暗物质丰度问题。
• 提出一种包含标量和旋量场的两组分暗物质场景，二者在 Z₂ 对称性下为奇数，以保证稳定性。
• 通过强制实现尺度不变性，减少独立参数数量，提升模型的预测能力。
• 探索天体物理和实验室约束，包括直接探测、隐形希格斯衰变和自相互作用。
• 确定对观测到的暗物质丰度贡献最大的组分，并评估各类实验探测手段的可探测性。

提出的方法

• 通过移除希格斯质量项并引入一个标量单重态（S）、一个旋量单重态（χ）和一个标子场（ϕ），构建标准模型的尺度不变扩展，所有场在 SM 规范对称性下均为单重态。
• 引入一个 Z₂ 对称性，其中 S 和 χ 为奇数，确保最轻的奇数粒子稳定，而 ϕ 和所有 SM 场为偶数。
• 构建一个涉及希格斯场、ϕ、S 及其相互作用的可重整化、尺度不变的势能：λ_H(H†H)² + λ_ϕϕ⁴/4! + λ_sS⁴/4! + λ_ϕHϕ²H†H + λ_sH S²H†H + λ_ϕsϕ²S²。
• 引入旋量场 sector，包含一个 Yukawa 耦合：ℒ_spinor = χ̄(iγᵘ∂ᵤ - gϕ)χ，使 χ 能够与标子场发生相互作用。
• 利用 Coleman-Weinberg 机制实现辐射对称性自发破缺，在电弱对称性破缺后生成所有场的质量。
• 通过非相对论量子场论和传播子极点方法，推导出暗物质自相互作用和隐形希格斯衰变的截面与衰变速率，包括来自重希格斯态 H₁ 和 H₂ 的共振贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个尺度不变的两组分暗物质模型能否同时解决层次问题并重现观测到的暗物质丰度？
• RQ2 在该模型中，是标量组分还是旋量组分主导了暗物质丰度？其主导性由什么决定？
• RQ3 直接探测实验和隐形希格斯衰变搜索如何约束该模型的参数空间？
• RQ4 暗物质自相互作用，特别是共振区域的自相互作用，对宇宙学和天体物理观测有何影响？
• RQ5 与其它两组分暗物质模型相比，尺度不变性在多大程度上减少了独立参数的数量？

主要发现

• 旋量暗物质组分是观测到的暗物质丰度的主要贡献者，而标量组分起次要作用。
• 该模型的参数空间受到隐形希格斯衰变搜索的显著约束，特别是希格斯玻色子衰变为暗物质对的通道，排除了参数空间的大部分区域。
• 直接探测约束对排除参数空间的大部分区域非常有效，尤其对与标子场耦合的标量暗物质组分。
• 在共振区域，暗物质自相互作用被增强，其截面达到了宇宙学观测给出的上限，尤其在 χχ → χχ 和 SS → SS 过程中。
• 由于尺度不变性，该模型实现了最少的独立参数数量，使其比非尺度不变的两组分暗物质模型更具预测性。
• Sχ → Sχ 的自相互作用截面对动量转移和共振希格斯态 H₁ 与 H₂ 的存在敏感，所有相关过程的显式公式均已推导得出。