[论文解读] Two Component Doublet-Triplet Scalar Dark Matter stabilising the Electroweak vacuum

Nabarun Chakrabarty, Rishav Roshan+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种由一个$SU(2)_L$双态和一个$Y=0$标量三重态组成的两组分标量暗物质模型，通过两组分之间的相互转换实现观测到的遗迹丰度。该机制成功解释了此前暗物质丰度过低的“沙漠区域”（500 GeV–1 TeV）中双态的遗迹密度，同时通过三重态的贡献使电弱真空在至普朗克尺度范围内保持稳定。

ABSTRACT

A two-component scalar DM scenario comprising an additional scalar doublet and a $Y$ = 0 scalar triplet is proposed. Key features of the ensuing dark matter phenomenology are highlighted with emphasis on inter-conversion between the two dark matter components. For suitable choices of the model parameters, we show that such inter-conversion can explain the observed relic abundance when the doublet dark matter component has mass in the \\emph{desert} region while the triplet component has sub-TeV mass. This finding is important in the context of such mass regions known to predict under-abundant relic for the standalone cases of the scalar doublet and triplet. In addition, we also show that the present scenario can stabilise the electroweak vacuum up to the Planck scale in the parameter space responsible for the requisite dark matter observables.

研究动机与目标

• 解决惰性双态模型中‘沙漠区域’（500 GeV–1 TeV）内暗物质湮灭至规范玻色子过程过强导致的遗迹丰度过低问题。
• 探讨$Y=0$标量三重态是否能在同时满足正确暗物质遗迹密度的参数区域内，将电弱真空稳定至普朗克尺度。
• 构建一个可行的两组分暗物质情景，通过双态与三重态组分之间的相互转换，即使各组分单独贡献不足，也能实现正确的遗迹密度。
• 识别同时满足暗物质现象学与真空稳定性的参数区域。

提出的方法

• 引入一个两组分暗物质模型，包含一个惰性$SU(2)_L$双态和一个$Y=0$标量三重态，二者均通过门户耦合与标准模型希格斯玻色子相互作用。
• 通过标量势中的混合项$\lambda_{\Phi T}$实现双态与三重态组分之间的相互转换。
• 使用一阶量子微扰重正化群方程（RGEs）追踪至普朗克尺度的四次耦合、规范耦合以及汤川耦合的跑动行为。
• 通过包含共湮灭和相互转换过程的布兹曼方程，使用完整的$\mathcal{S}$-矩阵元计算遗迹密度，计算$\chi_1\chi_1 \to VV, HH, \phi\phi$过程。
• 通过要求在RGE演化下希格斯四次耦合$\lambda_H$在至普朗克尺度范围内保持正值，应用真空稳定性条件。
• 通过在模型参数空间中进行数值扫描，识别出遗迹密度匹配$\Omega_{\rm DM}h^2 \approx 0.12$且真空稳定性得以保持的可行区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 双态与$Y=0$标量三重态之间的相互转换是否能够解决惰性双态模型沙漠区域内的遗迹丰度过低问题？
• RQ2 在同时产生正确暗物质遗迹密度的参数区域内，$Y=0$标量三重态是否能够将电弱真空稳定至普朗克尺度？
• RQ3 在哪些参数区域内，观测到的遗迹丰度与真空稳定性能够同时满足？
• RQ4 共湮灭与相互转换过程相较于独立的双态或三重态模型，如何改变遗迹密度？

主要发现

• 该模型在双态质量范围$M_{\rm DM} \sim 500~{\rm GeV} - 1~{\rm TeV}$内实现了观测到的遗迹密度$\Omega_{\rm DM}h^2 \approx 0.12$，而在此区域中，独立的惰性双态模型因湮灭过程过强而失效。
• 质量在亚TeV量级的三重态组分实现了共湮灭与相互转换，降低了有效湮灭截面，从而使沙漠区域内的正确遗迹密度成为可能。
• 在可行参数空间中，希格斯四次耦合在至普朗克尺度范围内保持正值，确保了电弱真空的稳定性。
• 双态与三重态组分之间的相互转换速率足够显著，能够改变冻结过程的动力学行为，使得即使各组分单独贡献不足，也能实现正确的遗迹密度。
• 该模型满足直接探测、对撞机搜索以及微扰性所有约束，所有耦合在至普朗克尺度范围内保持微扰。
• RGE分析证实，$Y=0$三重态通过其$\lambda_{\Phi T}$和$\lambda_T$耦合对$\lambda_H$的跑动产生影响，有助于稳定希格斯势。