[论文解读] Two Higgs doublet models with local U(1)_H gauge symmetry and dark matter

Pyungwon Ko, Yuji Omura+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用 3

一句话总结

该论文提出一个具有自发性规范对称性破缺的局部 U(1)H 规范对称性的两希格斯双重模型（2HDM），作为 2HDM 中软破 Z2 对称性的起源，以及惰性双重模型（IDM）中精确 Z2 对称性的起源。该模型通过新的湮灭通道（ZHZH 和 ZZH）实现了轻质暗物质候选者（mH ≲ 40 GeV），这在标准 IDM 中因能级和直接探测约束而被排除。该结果提供了一个与宇宙学和对撞机数据一致的可行暗物质方案。

ABSTRACT

We propose to implement the softly broken Z_2 symmetry in the usual two Higgs doublet model (2HDM) to spontaneously broken local U(1)_H gauge symmetry, and show that the resulting phenomenology can be very rich and is distinctly different from the usual 2HDMs. Likewise, the exact Z_2 symmetry in ordinary inert doublet model (IDM) could be a remnant of spontaneously broken local U(1)_H symmetry stabilizing dark matter (DM). In this case, new channels for DM pair annihilation into U(1)_H gauge boson(s) open up, allowing the DM mass below \lesssim 40 GeV, unlike the usual IDM.

研究动机与目标

• 解决两希格斯双重模型（2HDMs）中味改变中性流（FCNC）问题，而无需人为引入 Z2 对称性。
• 通过局部 U(1)H 规范对称性的自发破缺，为 2HDM 中的软破 Z2 对称性提供动力学起源。
• 将该机制推广至惰性双重模型（IDM），通过 U(1)H 破缺后残留的 Z2 对称性稳定暗物质。
• 探索其现象学后果，特别是 U(1)H 对称性下轻质暗物质在 IDM 中的可行性。
• 比较基于 U(1)H 的 IDM 与标准 Z2 基础的 IDM 在轻质暗物质区域的遗迹密度和湮灭截面预测。

提出的方法

• 在 U(1)H 规范对称性下，赋予希格斯双重态和一个 SM singlet 标量 Φ 电荷，且在规范对称性自发破缺后，Φ 获得真空期望值（VEV）。
• 构建一个 U(1)H 不变的希格斯势，包含如 H†₁H₂Φ 等项，这些项在 U(1)H 破缺后生成软 Z2 破坏项。
• 通过引入额外的左右手费米子以确保异常消除，其中一种可能作为冷暗物质候选者。
• 利用 U(1)H 破缺后残留的 Z2 对称性，稳定惰性希格斯双重态的中性分量作为暗物质。
• 计算遗迹密度和暗物质湮灭截面，包括新通道如 HH → ZHZH 和 HH → ZZH。
• 应用来自 LHC 希格斯信号强度、电弱精确观测、不可见希格斯衰变、直接探测（LUX）和 Fermi-LAT 伽马射线数据的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过局部 U(1)H 规范对称性的自发破缺，动力学地生成 2HDM 中的软破 Z2 对称性？
• RQ2 基于 U(1)H 的 IDM 是否允许质量低于 40 GeV 的可行暗物质候选者，而标准 IDM 在此区域被排除？
• RQ3 新湮灭通道（HH → ZHZH，HH → ZZH）如何影响基于 U(1)H 的 IDM 中的遗迹密度和直接探测约束？
• RQ4 U(1)H 规范玻色子与 Z 玻色子的混合对希格斯信号强度和实验约束有何影响？
• RQ5 基于 U(1)H 的 2HDM 在 Type-I 费米子屏蔽情景下，其现象学与标准 Z2 对称性的 2HDM 有何不同？

主要发现

• 具有 Type-I 费米子屏蔽结构的基于 U(1)H 的 2HDM 与 LHC 希格斯信号强度数据一致（CMS 1σ，ATLAS 2σ），在 μggγγ ≲ 0.4 时具有潜在可区分性。
• 该模型允许质量为 mH ≲ 40 GeV 的轻质暗物质候选者，这在标准 IDM 中因直接探测和共湮灭约束而被排除。
• 在轻 H 情形下，主要湮灭通道 HH → ZHZH 使得遗迹密度可行，且当 mH ≈ mZH 时，模型满足 Fermi-LAT 伽马射线限制。
• 由于 ZH 规范玻色子新增的湮灭通道，基于 U(1)H 的 IDM 中的遗迹密度略低于标准 IDM。
• 与标准 IDM 相比，基于 U(1)H 的 IDM 在轻质暗物质区域（特别是 mH ≲ 40 GeV）具有更大的允许参数空间。
• 基于 U(1)H 的 IDM 避免了与自发破缺 Z2 对称性相关的畴壁问题，并为该对称性提供了自然的起源。