[论文解读] Two component dark matter with multi-Higgs portals

Ligong Bian, Tianjun Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 35被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种两组分暗物质（DM）模型，其中矢量DM来自一个$SU(2)_D$规范群，标量DM来自一个$U(1)$全局对称性，两者均通过三个混合希格斯门户与标准模型耦合。该模型通过共振湮灭以及两组分DM之间的相互作用，在可行参数空间内实现了正确的余晖密度，同时满足电弱精确测量和真空稳定性约束。

ABSTRACT

With the assistance of two extra groups, i.e., an extra hidden gauge group $SU(2)_D$ and a global $U(1)$ group, we propose a two component dark matter (DM) model. After the symmetry $SU(2)_D imes U(1)$ being broken, we obtain both the vector and scalar DM candidates. The two DM candidates communicate with the standard model (SM) via three Higgs as multi-Higgs portals. The three Higgs are mixing states of the SM Higgs, the Higgs of the hidden sector and real part of a supplement complex scalar singlet. We study relic density and direct detection of DM in three scenarios. The resonance behaviors and interplay between the two component DM candidates are represented through investigating of the relic density in the parameter spaces of the two DMs masses. The electroweak precision parameters constrains the two Higgs portals couplings ($λ_m$ and $δ_2$). The relevant vacuum stability and naturalness problem in the parameter space of $λ_m$ and $δ_2$ are studied as well. The model could alleviate these two problems in some parameter spaces under the constraints of electroweak precision observables and Higgs indirect search.

研究动机与目标

• 构建一个两组分暗物质模型，同时解释观测到的余晖密度并满足电弱精确测量约束。
• 研究通过相互湮灭和希格斯介导相互作用，矢量与标量DM候选者之间的相互作用。
• 在电弱精确测量可观测和希格斯间接搜索约束下，评估Higgs门户耦合$\lambda_m$和$\delta_2$定义的参数空间中真空稳定性和自然性。
• 探索该模型在实现强一级相变电弱相变和通过新规范场解决层次问题方面的可行性。
• 分析三个希格斯混合态（标准模型希格斯、隐空间希格斯和实标量单重态）对DM湮灭和直接探测截面的影响。

提出的方法

• 引入扩展的规范结构，包含$SU(2)_D$和一个全局$U(1)$对称性，导致来自$SU(2)_D$自发对称性破缺的稳定矢量DM，以及来自复单重态$\mathbb{S}$的标量DM，其$Z_2$奇数虚部确保稳定性。
• 构建一个标量势，包含标准模型希格斯、隐空间希格斯双重态$\phi$的实部以及实标量单重态$S$之间的混合，形成三个混合希格斯态$h_1, h_2, h_3$。
• 通过$\delta_1, \delta_2, \lambda_m$推导出两组分DM对三个希格斯态的有效耦合，这些耦合介导DM湮灭和直接探测过程。
• 求解$Y_A$和$Y_V$（DM数密度）的耦合玻尔兹曼方程，以计算余晖丰度，包括相互湮灭通道$AA \leftrightarrow VV$和$VV \leftrightarrow AA$。
• 应用一阶量子修正的跑动方程（RGEs）研究真空稳定性和自然性，其中包含$\delta_1, \delta_2, d_2, \lambda_m, \lambda, \lambda_\phi, g_\phi$的$\beta$-函数。
• 通过$t$-通道希格斯交换评估自旋无关的DM-核子散射截面，所有三个希格斯态均有贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有矢量和标量状态的两组分DM模型是否能通过共振湮灭和相互作用实现观测到的余晖密度？
• RQ2 在存在组间DM湮灭通道的情况下，三个希格斯门户耦合（$\lambda_m, \delta_1, \delta_2$）如何影响余晖密度和直接探测率？
• RQ3 在电弱精确测量可观测和希格斯间接搜索约束下，该模型在多大程度上能缓解自然性问题并维持真空稳定性？
• RQ4 $AA \leftrightarrow VV$和$VV \leftrightarrow AA$湮灭通道对DM数密度演化和最终余晖丰度有何影响？
• RQ5 三个希格斯态之间的混合角和质量差如何影响DM湮灭截面的共振增强？

主要发现

• 该模型通过在三个希格斯态质量处发生共振湮灭实现了正确的余晖密度，湮灭截面因$t$-、$u$-和“海鸥型”图而增强。
• 自旋无关的DM-核子散射截面主要由三个希格斯态的$t$-通道交换主导，其贡献由混合角$R_{1i}, R_{2i}, R_{3i}$和门户耦合加权。
• 相互湮灭通道$AA \leftrightarrow VV$和$VV \leftrightarrow AA$显著改变了DM数密度的演化，如耦合玻尔兹曼方程所示。
• 电弱精确测量约束了门户耦合$\lambda_m$和$\delta_2$，在真空稳定性和自然性得到改善的区域中找到了可行参数区域。
• 一阶RGE分析表明，$\delta_1, \delta_2, \lambda_m$的$\beta$-函数对规范和Yukawa耦合敏感，且该模型在参数空间的部分区域可维持真空稳定性。
• 由于两组分DM之间的相互作用，特别是$AA \leftrightarrow VV$通道的开启，该模型与单组分DM情景显著不同，这些通道影响了余晖密度。