Dark Matter, Gravitational Waves and Higgs invisible decays

Abstract

O Modelo Padrão, apesar de ser uma das teorias mais bem verificadas experimentalmente no mundo da física, tem as sua limitações. Um grande problema que o Modelo Padrão enfrenta é o facto de não dar qualquer explicação para a existência de matéria escura, comprovada apenas por observações provenientes da astronomia e da cosmologia. Por estas razões, propomos uma extensão simples do Modelo Padrão: adicionar um campo complexo escalar que acopla apenas com o dubleto de Higgs. De seguida fazemos a renormalização do setor escalar, usando condições on-shell e process dependent, calculamos a correção a um loop do decaimento do Higgs para matéria escura e verificamos que a correção é estável. De seguida fazemos uma procura no espaço de parâmetros do modelo para verificar quais os parâmetros que verificam os mais relevantes constrangimentos teóricos e experimentais. A comparação com o valor medido experimentalmente no Large Hadron Collider dá-nos informação sobre o sector escuro do modelo. A adição do campo complexo tem outra vantagem, a de permitir a existência de uma transição electro-fraca de primeira ordem (algo que não é possível no Modelo Padrão). Esta transição poderá dar origem a ondas gravitacionais primordiais que poderão ser detetadas em experiências futuras, tal como LISA. Verificámos que é possível, por extensão do modelo, obter ondas gravitacionais fortes o suficientes para serem detetadas e que existe também uma dependência no valor dos parâmetros do Modelo Padrão, em particular na massa do Higgs do quark top. Verificámos também uma forte dependência nos parâmetros do setor escuro e, por fim, que a configuração do vácuo a temperatura zero afeta a força do sinal das ondas gravitacionais.

It is well known that, although the Standard Model of particle physics can make many accurate pre dictions about the physical world around us, it is still incomplete in many regards. One of the most noticeable areas where the Standard Model fails us to give some reasonable explanation is the absence of dark matter, that one can infer from astronomy/cosmology. For that reason, we propose a simple model: a complex scalar extension of the Standard Model, where the new field only couples with the Higgs doublet. We then renormalize the scalar sector, using on-shell renormalization conditions and process dependent conditions to calculate the 1-loop correction of the Higgs decay into dark matter. We have verified that the corrections are stable. After that, we performed scans to find the allowed parameter space that fulfils not only theoretical constraints but also the most relevant experimental ones. We have then compared with the experimentally measured value at the Large Hadron Collider to have access to the dark sector of the theory. The addition of the complex scalar field has another advantage. It allows for a first-order electroweak phase transition (which is not possible in the Standard Model) that could produce gravitational waves that could be detected in upcoming experiments, such as LISA. We see that strong enough gravitational waves are indeed possible. We have also verified their dependence on the Standard Model parameters inside their experimental uncertainty, in particular the Higgs and top quark mass, which can be important. We have also showed that the dark sector parameters play a huge role in the gravitational wave profile and, lastly, verify that the vacuum configuration at zero temperature affects the strength of gravitational waves.