[论文解读] WIMP Dark Matter in Composite Higgs Models and the Dilaton Portal

Manki Kim, Seung J. Lee+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 9

一句话总结

本文提出了一种基于 SO(6)/SO(5) 对称性的复合希格斯模型，其中希格斯粒子和一种标量暗物质（DM）候选者均作为 pseudo-Goldstone 玻色子出现。通过近似共形不变性引入了膨胀子门户，表明轻的膨胀子可增强通过 Sommerfeld 效应的暗物质湮灭过程，并允许一个 200–400 GeV 的可行暗物质质量窗口，与原初丰度及直接/间接探测约束一致。

ABSTRACT

We study under which conditions a scalar particle is a viable WIMP Dark Matter candidate with Higgs and dilaton interactions. The theory is a composite Higgs model with top partial compositeness where both the Higgs and the Dark Matter candidate arise as pseudo Goldstone boson of the coset SO(6)/SO(5) from a new physics sector. We highlight the role of the dilaton in direct and indirect searches. We find that a Dark Matter particle with a mass around 200-400 GeV and a relatively light dilaton are a fair prediction of the model.

研究动机与目标

• 研究在 SO(6)/SO(5) 对称性下的复合希格斯模型中，标量暗物质候选者的可行性。
• 考察由近似共形不变性产生的膨胀子作为暗物质与标准模型相互作用的新门户的作用。
• 评估直接和间接探测约束对暗物质候选者的影响，包括原初丰度和 Sommerfeld 增强的湮灭过程。
• 在单一强耦合规范中统一希格斯和膨胀子介导的暗物质相互作用，避免精细调节。

提出的方法

• 基于 Callan-Coleman-Wess-Zumino (CCWZ) 方法的形式化框架，用于描述 SO(6)/SO(5) 破裂产生的 Goldstone 玻色子。
• 将膨胀子场 σ 作为近似标度对称性的 Nambu-Goldstone 模式引入，其相互作用由有效拉格朗日量导出。
• 通过热冻结过程计算暗物质原初丰度，包括希格斯和膨胀子交换的贡献。
• 推导暗物质湮灭为标准模型末态的截面，包括由膨胀子介导的 Sommerfeld 增强过程。
• 通过希格斯和膨胀子与标准模型费米子及规范玻色子的有效耦合，纳入对撞机约束。
• 对参数空间进行数值分析，以识别与观测到的暗物质原初丰度及直接/间接探测极限一致的区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有 SO(6)/SO(5) 对称性的复合希格斯模型中，标量暗物质候选者是否能通过希格斯和膨胀子门户实现正确的原初丰度？
• RQ2 轻的膨胀子的存在如何影响暗物质候选者的直接和间接探测信号？
• RQ3 Sommerfeld 增强对暗物质湮灭有何影响，且在不同质量区域中，哪种门户（希格斯或膨胀子）占主导地位？
• RQ4 在何种条件下，膨胀子会主导介导暗物质相互作用，特别是在 200–400 GeV 的质量窗口内？
• RQ5 对希格斯和膨胀子耦合的对撞机约束如何塑造暗物质候选者可行的参数空间？

主要发现

• 质量在 200–400 GeV 范围内的暗物质候选者是该模型的自然预测，与观测到的原初丰度一致。
• 轻的膨胀子显著增强了 Sommerfeld 修正后的湮灭截面，使其在 200–400 GeV 窗口内成为暗物质湮灭的主要贡献。
• 该模型预测膨胀子相对较轻（mσ ≲ 100 GeV），这是增强湮灭速率的关键因素。
• 仅靠希格斯门户在此质量范围内无法在不精细调节的情况下解释观测到的原初丰度，但引入膨胀子门户可解决此问题。
• 由于 Z2 对称性保护了暗物质候选者并抑制了与夸克的直接耦合，直接探测约束得以满足。
• 当顶夸克部分复合性被适当地微调时，该模型在对撞机约束下仍保持可行，此时希格斯与标准模型粒子的耦合与 LHC 测量结果一致。