[论文解读] The Higgs-portal for Dark Matter:effective field theories versus concrete realizations

Giorgio Arcadi, A. Djouadi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 92被引用 39

一句话总结

本文通过将有效Higgs-portal模型与标量、费米子和矢量暗物质（DM）情景下的紫外完备实现进行比较，评估了有效Higgs-portal模型在暗物质中的有效性。研究发现，只要额外的标量态较重，有效场论（EFT）方法依然稳健且一致——尤其是在大型强子对撞机（LHC）的隐形Higgs衰变搜索中；然而，遗迹密度约束限制了其适用范围，除非引入非热机制，否则仅在狭窄区域内适用。

ABSTRACT

Higgs-portal effective field theories are widely used as benchmarks in order to interpret collider and astroparticle searches for dark matter (DM) particles. To assess the validity of these effective models, it is important to confront them to concrete realizations that are complete in the ultraviolet regime. In this paper, we compare effective Higgs-portal models with scalar, fermionic and vector DM with a series of increasingly complex realistic models, taking into account all existing constraints from collider and astroparticle physics. These complete realizations include the inert doublet with scalar DM, the singlet-doublet model for fermionic DM and models based on spontaneously broken dark SU(2) and SU(3) gauge symmetries for vector boson DM. We also discuss the simpler scenarios in which a new scalar singlet field that mixes with the standard Higgs field is introduced with minimal couplings to isosinglet spin--$0, \frac12$ and 1 DM states. We show that in large regions of the parameter space of these models, the effective Higgs-portal approach provides a consistent limit and thus, can be safely adopted, in particular for the interpretation of searches for invisible Higgs boson decays at the LHC. The phenomenological implications of assuming or not that the DM states generate the correct cosmological relic density are also discussed.

研究动机与目标

• 评估在紫外完备理论的背景下，有效Higgs-portal模型在暗物质中的有效性。
• 研究当面对标量、费米子和矢量DM的现实可重整化紫外完备实现时，EFT预测是否仍保持一致。
• 确定有效理论能够准确描述DM现象学的条件，特别是关于隐形Higgs衰变和遗迹密度方面。
• 探讨在不依赖轻标量媒介子的情况下，是否可在紫外完备模型中自然实现观测到的宇宙DM遗迹密度。

提出的方法

• 将有效Higgs-portal模型（标量、费米子、矢量DM）与紫外完备实现进行比较：惰性Higgs双重态（标量）、单重态-双重态模型（费米子）以及暗U(1)、SU(2)、SU(3)规范模型（矢量DM）。
• 分析来自LHC隐形Higgs衰变搜索、直接探测（XENON1T、XENONnT、DARWIN）以及遗迹密度测量（Planck）的约束。
• 使用微扰幺正性和可重整化性作为评估EFT理论一致性的标准。
• 在各类模型中执行参数空间扫描，评估EFT预测是否与紫外完备理论结果一致。
• 研究额外标量态（如与标准模型Higgs混合）在轻量时破坏EFT有效性的机制。
• 评估DM组分混合（如矢量+亚稳态Ψ）对对撞机和直接探测可观测量的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，有效Higgs-portal模型可作为紫外完备DM理论的有效近似？
• RQ2 在紫外完备模型中，是否可在不依赖轻标量媒介子的情况下实现观测到的宇宙遗迹密度？
• RQ3 EFT的物理解释预测与紫外完备模型在隐形Higgs衰变和直接探测中的预测相比如何？
• RQ4 额外的矢量或标量态在何种情况下会破坏EFT极限，以及在何时可安全忽略？
• RQ5 在具有多个DM组分的模型中（如SU(3)暗规范层），EFT描述是否仍能捕捉主要的对撞机现象学？

主要发现

• 当额外标量态较重（处于TeV量级）时，有效Higgs-portal方法在标量、费米子和矢量DM模型中均提供了稳定的极限，验证了其在LHC隐形Higgs搜索中的适用性。
• 对于矢量DM，SU(3)暗规范群模型允许存在稳定的矢量DM和一个更轻的亚稳态Ψ，从而在无需轻标量的情况下实现正确的遗迹密度。
• 在SU(3)模型中，DM与Ψ态质量接近，因此在对撞机搜索中被视为单一有效态，保持了EFT的一致性。
• 由于DM-核子散射截面中存在抵消机制，标量Higgs portal无法作为可行的EFT极限。
• 在费米子和矢量DM情况下，仅当额外标量媒介子较轻时，EFT有效性才会失效，而此类情况已被幺正性和实验约束排除。
• 在直接探测和隐形Higgs衰变关联方面，有效理论依然稳健，除非在Higgs共振区或轻DM等狭窄区域，此时遗迹密度约束要求采用非热DM产生机制或轻标量。