[论文解读] Unitarity Constraints on Higgs Portals

Devin G. E. Walker|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文推导了Higgs信道暗物质模型中的幺正性和微扰性约束，表明媒介Higgs玻色子的质量上限分别为3 TeV（仅费米子湮灭）和14.2 TeV（费米子与Higgs交换共同作用），暗规范对称性破缺的真空期望值（vev）分别被限制在2.4 TeV和12 TeV。这些约束显著缩小了可行参数空间，表明未来对撞机如ILC或VLHC对于检验该机制至关重要。

ABSTRACT

Dark matter that was once in thermal equilibrium with the Standard Model is generally prohibited from obtaining all of its mass from the electroweak phase transition. This implies a new scale of physics and mediator particles to facilitate dark matter annihilation. In this work, we focus on dark matter that annihilates through a generic Higgs portal. We show how partial wave unitarity places an upper bound on the mass of the mediator (or dark) Higgs when its mass is increased to be the largest scale in the effective theory. For models where the dark matter annihilates via fermion exchange, an upper bound is generated when unitarity breaks down around 8.5 TeV. Models where the dark matter annihilates via fermion and higgs boson exchange push the bound to 45.5 TeV. We also show that if dark matter obtains all of its mass from a new symmetry breaking scale that scale is also constrained. We improve these constraints by requiring perturbativity in the Higgs sector up to each unitarity bound. In this limit, the bounds on the dark symmetry breaking vev and the dark Higgs mass are now 2.4 and 3 TeV, respectively, when the dark matter annihilates via fermion exchange. When dark matter annihilates via fermion and higgs boson exchange, the bounds are now 12 and 14.2 TeV, respectively. The available parameter space for Higgs portal dark matter annihilation is outlined. We also show how the bounds are improved if Higgs portal dark matter is only a fraction of the observed relic abundance. Finally, we discuss how to apply these arguments to other dark matter scenarios and discuss prospects for direct detection and future collider searches. If the Higgs portal is responsible for dark matter annihilation, planned direct detection experiments will cover almost all the parameter space. The ILC and/or VLHC, however, is needed to establish the Higgs portal mechanism.

研究动机与目标

• 通过幺正性和微扰性约束，推导Higgs信道暗物质模型中暗Higgs媒介子质量的理论上限。
• 特别针对负责暗物质质量的新物理尺度，尤其是暗Higgs真空期望值（vev）进行约束。
• 在幺正性和微扰性条件下，绘制Higgs信道暗物质湮灭的可行参数空间。
• 评估直接探测实验以及未来对撞机（ILC、VLHC）在探测Higgs信道机制方面的探测能力。
• 通过在幺正极限内引入Higgs sector的微扰性，改进现有约束。

提出的方法

• 对涉及标准模型Higgs与暗Higgs的散射振幅应用部分波幺正性，识别高能下幺正性何时被破坏。
• 在Higgs信道耦合常数、混合角和媒介子质量参数空间中进行扫描，以识别幺正性破坏区域。
• 在幺正性边界内对Higgs sector施加微扰性约束，确保理论保持弱耦合。
• 利用测量到的遗迹丰度固定SM与暗Higgs之间的混合角，将幺正性约束转化为质量与vev的限制。
• 结合电弱精确观测量（S与T参数）和Higgs信号强度测量（μγγ+ZZ）对混合角施加限制。
• 评估直接探测截面，并基于约束后的参数空间预测未来实验的探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Higgs信道暗物质模型中，当幺正性被破坏前，暗Higgs媒介子的最大允许质量是多少？
• RQ2 Higgs sector中的微扰性约束如何细化暗Higgs质量与暗vev的上限？
• RQ3 在暗物质湮灭过程中引入Higgs交换与仅费米子湮灭相比，对幺正性约束有何影响？
• RQ4 当前Higgs信号强度测量（μγγ+ZZ ∈ [0.58, 2.15]，95%置信水平）在多大程度上限制了SM与暗Higgs之间的混合角？
• RQ5 未来十年内计划的直接探测实验能否覆盖Higgs信道暗物质的剩余可行参数空间？

主要发现

• 对于仅通过费米子交换湮灭的暗物质，暗Higgs质量的幺正性上限为8.5 TeV，当引入微扰性约束后降低至3 TeV。
• 当费米子与Higgs交换均参与湮灭时，幺正性上限上升至45.5 TeV，但微扰性约束将其降低至14.2 TeV。
• 在微扰性约束下，暗Higgs真空期望值（vev）被限制在2.4 TeV（仅费米子湮灭）和12 TeV（含Higgs交换）的范围内。
• 基于当前Higgs信号强度数据（μγγ+ZZ ∈ [0.58, 2.15]，95%置信水平），SM与暗Higgs之间的混合角被限制为cosθ ∈ [1/√2, ≲1]。
• 未来十年内计划的直接探测实验有望覆盖Higgs信道暗物质剩余可行参数空间的绝大部分。
• ILC和/或VLHC是必不可少的，因为它们能够探测直接探测无法触及的高能尺度新物理，从而最终确立Higgs信道机制。