Candidatos a materia oscura a partir de portales de
Higgs
Jorge Armando Arroyo Troncoso III Taller de Gravitación, Física de Altas Energías y Cosmología,
ICF
Conclusiones
Candidatos a materia oscura a partir de portales
de Higgs
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El SM no posee candidatos viables a materia oscura.
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¿Qué es un portal de Higgs?
Los portales de Higgs1son extensiones del sector de Higgs.
Se introducen nuevos campos, escalares (S) o vectoriales (Xµ) Simetría discretaZ2 (estabilidad)
Términos de interacción
S2H†H
o XµXµH†H
perfectamente admisibles, Portal fermiónico λhf
Λ ψψH¯
†H no renormalizable
/
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El portal escalar
SihSi mZ ⇒ materia oscura. Los términos más relevantes de L
son
L=−m
2
2 S 2
−λ4hsS2H†H
−λ4sS4. (1)
Después del rompimiento de EWS el Lagrangiano es
L=−1 2µ
2
S
| {z } (1)
S2
−14λhs
h
√
2 2
S2
−14λhsv2S2
| {z } (2)
−14λhs
√
2vhS2
(2)
⇒término de masa paraS
m2
S =µ2S+
λhs
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Simh/2≥mS, el Higgs podría decaer de manera “invisible” en un par de escalaresS.
h q
S
p
S p′
⇒Γh→SS =
λ2
hsv2
32πmh
s 1−4m
2
S
m2
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Más aún, la materia oscura escalar se puede aniquilar en especies del SM por medio del intercambio del Higgs.
S S p′ h p q ¯ f k f k′
−iM=u(s)(k)imf
v v¯
(r)
(k0) i q2−m2
h
iλhs
√
2
2 v
⇒ |M|2
=λ2hsm2fEcm2
(1−m2f/m
2
S)
(4m2
S−m
2
h)2
⇒ hσSvri=
λ2
hsm2f
16π
(1−m2
f/m2S)3/2
(4m2
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Contribuciones a un loop
|Mtot|2=|Mtree+M1−loop+· · · |2
q
p+q
p q
p+q
p q
p
k+p
k p
q
p+q
p q
p′+q
p−q
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Portal vectorial
De igual forma, para un campoXµ se puede construir
LX=
1 2µ
2X
µXµ+
λhv
4 XµX
µH†H+λX
4 (XµX
µ)2. (3)
Para el término de masaLagrangiano de Stueckelberg.
Lst=−
1 4F
µνF
µν+
1 2m
2X
µXµ (4)
Xα≡Xα0 +
1
µ∂αφ, δX
0
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Sim2=µ2f(H)
⇒λhvXµXµH†H término efectivo
Un ejemplo.m2puede depender del Higgs
m2=µ2
1 +ξH
†H
M2
⇒ Lst=−
1 4F
µνF
µν+
1 2µ
2
1 +ξH
†H
M2
XµXµ
Obtenemos el término
λhv
4 XµX
µH†H
⇒ λhv= 2ξ
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Otro ejemplo.m2 dependa de un campo escalar del sector
ocultoσ
m2=µ2 σ 2
M2 ⇒ λhv=λhs µ2 M2
hσi2 m2
σ
En este caso
L=−14FµνFµν+
1 2µ
2 σ 2
M2XµX
µ+λhs
4 H
†Hσ2
−V(σ), (6)
con
V(σ) =V(σ0) +1 2mσσ
2 +. . .
.
λhvXµXµH†H ⇒ λhv=λhs
µ2 M2
hσi2 m2
σ
.
Después del rompimiento de simetría EW
m2
X =m
2+1 2λhvv
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Resultados
Los diagramas físicamente relevantes son las correcciones a los vértices.
(a)
200 400 600 800 1000 10-6
10-5 10-4 0.001 0.010 0.100 1
mS/GeV
R
2hhSS
(b)
0 500 1000 1500 2000
10-7 10-5 0.001 0.100
mX/GeV
R
2hhXX
SimS ≥1TeV ⇒RhhSS ≥1 %
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Resumen
Los portales de Higgs son modelos donde existen campos arbitrarios que se acoplan directamente al campo de Higgs.
Los cálculos relevantes son las correcciones a los vértices. Para mS≥1 TeV, las contribuciones son≥1 % respecto a la amplitud a nivel árbol. Si mX≥2 TeV, las contribuciones son
≥0.1 %
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