[论文解读] The funnel annihilations of light dark matter and the Higgs invisible decay

Kun Wang, Jingya Zhu|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本文研究了半约束NMSSM中的轻量暗物质（LSP），识别出四种通过$h_2$、$Z$、$h_1$和$a_1$的湮灭通道，这些通道可重现正确的剩余密度。研究发现，对于$h_1/a_1$通道，隐形希格斯玻色子衰变的分支比最多为2%；而对于$Z$和$h_2$通道，最多分别为1%。这意味着，若在HL-LHC上发现隐形希格斯衰变，且LSP是唯一的暗物质组分，则所有四种湮灭机制都将被排除。

ABSTRACT

The semi-constrained NMSSM (scNMSSM), or NMSSM with non-universal Higgs masses, can naturally predict a light dark matter under current constraints including Higgs data, sparticle-mass bounds, dark matter searches, and muon g-2, etc. In this work, we take this scenario of scNMSSM as an example to study the funnel-annihilation mechanisms of light dark matter ($1\! hicksim\!62$ GeV) and the invisible Higgs decay. In this scenario we found that: (i) There can be four funnel-annihilation mechanisms for the LSP $ ilde{\chi}^0_1$, which are the $h_2$, $Z$, $h_1$ and $a_1$ funnel. (ii) For the $h_1$ and $a_1$ funnel with right relic density, the $ ilde{\chi}^0_1$ mass is lighter than 12 GeV, and the invisible Higgs decay can be $2\%$ at most. (iii) For the $h_2$ and $Z$ funnel with right relic density, the invisible Higgs decay can be about $0.4\%$ and $1\%$ respectively at most. (iv) If the invisible Higgs decay was discovered at the HL-LHC, the four funnel-annihilation mechanisms of light dark matter may be all excluded with $ ilde{\chi}^0_1$ as the only dark matter source. Four benchmark points, one for each mechanism, are proposed for future checking with updated experimental results.

研究动机与目标

• 在当前实验约束下，研究1–62 GeV范围内的轻量暗物质在半约束NMSSM中的可行性。
• 识别并分析该模型中轻希格斯超对称粒子（LSP）的所有可能湮灭通道。
• 量化在满足剩余密度及其他约束条件下，每种湮灭通道所允许的最大隐形希格斯衰变分支比。
• 评估未来在HL-LHC上发现隐形希格斯衰变对这些轻量暗物质情景可行性的影响。

提出的方法

• 采用半约束NMSSM（scNMSSM），允许希格斯玻色子质量非简并，以更好地符合希格斯数据和暗物质约束。
• 对实验数据进行全局拟合，包括LHC希格斯信号强度、超对称粒子质量限制、暗物质直接与间接探测限制，以及μ子$g-2$测量结果。
• 通过所有可能的湮灭通道计算LSP的剩余密度，重点关注$h_2$、$Z$、$h_1$和$a_1$共振。
• 利用希格斯门户耦合与质量差，评估每种可行情景下的隐形希格斯衰变宽度$\Gamma(H \to \text{inv})$。
• 应用来自LHC和暗物质实验的约束，识别允许的参数区域。
• 为每种湮灭机制提出一个基准点，以供未来实验验证并使用更新数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 在scNMSSM模型中，轻量暗物质的可行湮灭通道机制有哪些？
• RQ2 在满足正确剩余密度及其他约束条件下，每种湮灭通道所允许的最大隐形希格斯衰变分支比是多少？
• RQ3 当正确重现剩余密度时，$h_1$和$a_1$湮灭通道如何约束LSP质量与隐形希格斯衰变？
• RQ4 若在HL-LHC上发现隐形希格斯衰变，对scNMSSM将产生何种影响？
• RQ5 未来对隐形希格斯衰变的观测是否可能同时排除所有四种湮灭通道机制？

主要发现

• 识别出LSP$\tilde{\chi}^0_1$的四种湮灭通道：$h_2$、$Z$、$h_1$和$a_1$。
• 对于正确重现剩余密度的$h_1$和$a_1$通道，LSP质量被限制在12 GeV以下，且隐形希格斯衰变最多为2%。
• 对于正确重现剩余密度的$h_2$和$Z$通道，隐形希格斯衰变分别被限制在最多0.4%和1%。
• 若在HL-LHC上发现隐形希格斯衰变，且LSP是唯一的暗物质来源，则所有四种湮灭通道机制都将被排除。
• 为每种湮灭机制提出四个基准点，以供未来实验使用更新数据进行测试。
• 该模型在当前约束下仍具可行性，但未来希格斯数据可能通过这些湮灭通道排除整个轻量暗物质情景类别。