[論文レビュー] Dilepton events with displaced vertices, double beta decay, and resonant leptogenesis with Type-II seesaw dominance, TeV scale $Z'$ and heavy neutrinos

Bidyut Prava Nayak, M. K. Parida|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、タイプ-IIのシー・スイッチ支配、TeVスケールの$Z'$ボソン、および重いステル・ニュートリノを備えた2つのSO(10)のグランドユニフィケーション・モデルを提案する。これらのモデルは、ニュートリノ無し二重ベータ崩壊、共鳴的レプトン生成、およびずれた頂点を示す二レプトン信号を同時に説明する。第一または第二世代のステル・ニュートリノが約1–10 GeVのエネルギーを持つ場合、標準模型の背景が抑制された状態で、二重ベータ崩壊と同符号二レプトン事象（例：$eejj$、$μ\mu jj$）を媒介する。一方、共鳴的レプトン生成は準縮退した重いニュートリノ対を介して実現され、バリオン非対称性、ニュートリノ質量、およびレプトンのフレーバー違反を統一的に説明する検証可能なフレームワークを提供する。

ABSTRACT

In a class of Type-II seesaw dominated $SO(10)$ models proposed recently with heavy neutrinos, extra $Z'$ boson, and resonant leptogenesis, at first we show that the lightest first generation sterile neutrino that mediates dominant contributions to neutrinoless double beta decay also generates the displaced vertex leading to verifiable like-sign di-electron as well as di-muon production events outside the LHC detectors having suppressed standard model back-ground and missing energy. Resonant leptogenesis in this case is implemented by a pair of quasi-degenerate sterile neutrinos of the second and the third generations having masses of ${\cal O}(500)$ GeV. Then we predict a new alternative scenario where the models allow the second generation sterile neutrino mass to be ${\cal O}(10)$ GeV capable of mediating the dominant double beta decay as well as the displaced vertices for significantly improved number of like-sign dilepton events in different channels. Resonant leptogenesis in this alternative scenario is mediated by a pair of heavy quasi-degenerate sterile neutrino masses of the first and the third generations. In addition to QD type light neutrino mass hierarchy, we also show how these results are derived for the NH case. We also discuss $Z'$ production cross sections at $\sqrt s =14 $ TeV run-II of LHC and also at ILC. While the lepton flavour violating branching ratios are only few to four orders less than the current experimental bounds, proton lifetime predictions are accessible to ongoing Super K. or Hyper K. searches.

研究の動機と目的

• タイプ-IIシー・スイッチ支配を用いて、ニュートリノ質量生成、バリオン非対称性、レプトンのフレーバー違反を一つの枠組みで統一すること。
• 二重ベータ崩壊とずれた頂点を示す二レプトン事象を媒介する、実現可能なステル・ニュートリノ質量（約1–10 GeV）を同定すること。
• 質量が約500 GeVの準縮退した重いステル・ニュートリノ対を介して共鳴的レプトン生成を実現し、観測されたバリオン非対称性と整合すること。
• LHCおよびILCで観測可能な$Z'$シグネチャを予測し、クロスセクションおよび分支比が進行中の実験でテスト可能であることを示すこと。
• 超Kおよびハイパーキューブの観測にアクセス可能なプロトン寿命の予測と、軽いニュートリノ質量階層（NHおよびQD）の宇宙論的制約と両立すること。

提案手法

• TeVスケールの$Z'$を有する非SUSYのSO(10)モデルにおいて、二段階の対称性の自発的破れ鎖$SO(10) \to G_{2213D} \to G_{2113} \to SM$を埋め込む。
• 左対称トリプレット$\Delta_L$の誘導的真空期待値を用いてタイプ-IIシー・スイッチ支配を実装し、微調整により線形シー・スイッチ項を抑制する。
• 質量が約1–10 GeVのステル・ニュートリノを用いて、ニュートリノ無し二重ベータ崩壊および$l^+l^-jj$最終状態におけるずれた頂点を支配的寄与で媒介する。
• 第二および第三世代からの異なる生成の重いステル・ニュートリノ対を介して、準縮退した状態で共鳴的レプトン生成を実現し、レプトンフレーバーに異なる結合を持つ。
• LHC（$\sqrt{s} = 14$ TeV）およびILCにおける$Z'$生成断面積を計算し、ピーク構造の検出を念頭に、$l^+l^-$および$W^+W^-$最終状態に注目する。
• 非ユニタリティ効果およびLFVの分支比を用いて、実験的制約に対するモデルパラメータの制約を施し、同時に超K／ハイパーキューブのテストに向けたプロトン寿命を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タイプ-IIシー・スイッチ支配を有する1つのSO(10)モデルが、ニュートリノ無し二重ベータ崩壊、ずれた頂点を示す二レプトン信号、および共鳴的レプトン生成を同時に説明できるか？
• RQ2 標準模型の背景が抑制された状態で、二重ベータ崩壊と同符号二レプトン事象を媒介する、実現可能なステル・ニュートリノ質量は何か？
• RQ3 準縮退した重いステル・ニュートリノを用いて共鳴的レプトン生成を実現する方法は何か？同時にバリオン非対称性およびニュートリノ振動データと整合するか？
• RQ4 LHCおよびILCにおける観測可能な$Z'$シグネチャは何か？それらは標準模型の背景と区別可能か？
• RQ5 プロトン寿命およびレプトンフレーバー違反のモデル予測は、現在の実験的制約および将来の感度と整合するか？

主な発見

• 質量が約1–10 GeVのステル・ニュートリノは、ニュートリノ無し二重ベータ崩壊への支配的寄与を媒介し、同符号二レプトン事象（$eejj$、$\mu\mu jj$、$e\mu jj$）におけるずれた頂点を生成する。標準模型の背景は抑制される。
• $eejj$チャンネルでは、第二の電子に対して低運動量カットを課す必要があるが、$e\tau jj$および$\mu\mu jj$チャンネルでは、50–300 fb$^{-1}$の光度で顕著なイベントレートが予測される。
• 共鳴的レプトン生成は、第一のシナリオでは第二および第三世代からの準縮退した重いステル・ニュートリノ対（約500 GeV）を介して実現され、代替シナリオでは第一および第三世代からのものである。
• 質量$M_{Z'} = 3.5$ TeVの$Z'$ボソンは、$l^+l^-$チャンネルで0.52 fb/GeVのピーク断面積を予測し、中程度の光度でも検出可能な共鳴構造を持つ。
• レプトンフレーバー違反の分支比は、現在の実験的制約より数から四次のオーダー低い予測であり、将来の実験でテスト可能である。
• プロトン寿命の予測は、進行中の超Kおよびハイパーキューブの探索範囲内にあり、モデルの検証可能性を高めている。