[論文レビュー] Dynamical Minimal Flavour Violating Inverse Seesaw

Fernando Arias-Aragón, E. Fernández-Martínez+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、小さなニュートリノ質量を説明しつつも予測力を持つ低スケールの見せかけの逆カスプ機構における、最小フレーバー破壊（MLFV）逆カスプ機構の動的実現を提案する。レプトン数対称性とフレーバー対称性を統合することで、フレーバー破壊過程を抑制する。3つの異なる対称性構造に基づくシナリオを同定し、そのうち2つ（ケースAとC）が、希少崩壊および$μ\to e$変換における検出可能なレプトンフレーバー破壊を許容するが、ケースCは重い中性レプトンの$M_W$と整合する2–3 TeVの狭い質量範囲を予測しており、CDF IIの$W$ボソン質量異常と整合的である。

ABSTRACT

The Inverse Seesaw mechanism is dynamically realised within the Minimal Lepton Flavour Violation context. Lepton number, whose breaking is spontaneously realised, is generalised to a global Abelian factor of the whole flavour symmetry, that also plays the role of the Peccei-Quinn symmetry. The associated Goldstone boson is a Majoraxion that solves the Strong CP problem and represents a Dark Matter candidate. Three distinct scenarios are identified in terms of flavour symmetry and transformation properties of the exotic neutral leptons that enrich the Standard Model spectrum. The associated phenomenology is studied, focusing on the deviations from unitarity of the PMNS mixing matrix. The strongest constraints arise from the determination of the number of active neutrinos through the invisible width of the $Z$, the comparison of the measured $W$ boson mass with its prediction in terms of the Fermi constant from muon decay, and the null searches for the radiative rare muon decay and $μ o e$ conversion in nuclei. The heavy neutral leptons may have masses of a few TeV, leaving open the possibility for a direct detection at future colliders. The impact of the recent measurement of the $W$ mass at the CDF II detector has also been considered, which, in one of the scenarios, points to a sharp prediction for the masses of the heavy neutral leptons at about $2-3$ TeV.

研究の動機と目的

• 小さなニュートリノ質量を説明しつつも、予測力を保つ最小フレーバー破壊（MLFV）逆カスプ機構の動的実現を構築すること。
• レプトン数対称性とフレーバー対称性を統合し、動的にレプトン数破壊を抑制するとともに、軽いアキソン的マジョロンを生成すること。
• 異なるフレーバー群構造に基づく、3つの異なる対称性に基づくシナリオ（ケースA、B、C）を分類・解析すること。
• 電弱精度観測量、レプトンフレーバー破壊、コライダー探索からの制約を通じて、各シナリオの臨床的妥当性を評価すること。
• 最近のCDF IIによる$W$ボソン質量測定、特に$M_W$異常との整合性をテストすること。

提案手法

• ラングランジアンにグローバルなフレーバー対称性$\mathcal{G}_{F}^{\text{NA}}$を課し、ヤコビ係数とメジャノナ質量をスループン場にすることで、最小フレーバー破壊を強制する。
• $\nu_L$、$N_R$、$S_R$を含む中性レプトン系の全質量行列$\mathcal{M}_{\chi}$を構築し、レプトン数対称性の近似的な保存を実現するための微小パラメータ$\epsilon$、$\mu$、$\mu'$を導入する。
• 有効な$d=6$型オペレーター$\mathcal{O}_{d=6} \sim \bar{\ell}_L \tilde{H} \, c_{\mathcal{O}} \, i\not{\partial}(\tilde{H}^\dagger \ell_L)$を導出し、そのウィルソン係数$c_{\mathcal{O}} = \mathcal{Y}_\nu \frac{1}{\Lambda \Lambda^\dagger} \mathcal{Y}_\nu^\dagger$がフレーバー構造に依存することを示す。
• 3つの異なる対称性実現を分析：(A) $SU(3)_{\ell_L} \times SU(3)_{e_R} \times SO(3)_{N_R+S_R}$、(B) $SU(3)_V \times SU(3)_{e_R}$で$N_R \sim S_R \sim 3$、(C) $SU(3)_V \times SU(3)_{e_R}$で$N_R \sim \overline{S_R} \sim 3$。各ケースのスループン数を2つに削減する。
• フレーバー対称性に由来する相関関係を用いて、$Z$の非可視幅（有効な$N_\text{eff}$）、$M_W$測定、$\mu \to e$変換、および放射性希少崩壊（$\ell \to \ell' \gamma$）からの制約を評価する。
• CDF IIの$M_W$測定を含む実験データのグローバルフィットを実施し、妥当なパラメータ領域を同定し、コライダーのシグネチャを予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、レプトン数対称性とフレーバー対称性を統合した動的MLFV逆カスプモデルを構築し、フレーバー破壊を抑制できるか？
• RQ2 低スケール逆カスプモデルにおける3つの異なる対称性に基づく実現（ケースA、B、C）には、どのような臨床的差異が生じるか？
• RQ3 最近のCDF IIによる$W$ボソン質量測定は、特にケースCにおいてどの程度説明可能か？
• RQ4 どのレプトンフレーバー破壊過程—$\mu \to e$変換か$\ell \to \ell' \gamma$か—が、各対称性シナリオの主な感受性を持つプローブとなるか？
• RQ5 モデルは、$M_W$異常と整合する重い中性レプトンの狭い質量ウィンドウを予測できるか？また、そのウィンドウは将来のコライダーでテスト可能か？

主な発見

• ケースC（$N_R \sim \overline{S_R} \sim 3$）では、希少崩壊や$\mu \to e$変換におけるレプトンフレーバー破壊が予測されないため、ケースAおよびBとは区別可能である。
• ケースAおよびCでは、重い中性レプトンの質量が数TeVまで低く抑えられ、将来のコライダーで検出可能となる可能性がある。一方、ケースBでは、最も軽い状態が少なくとも10 TeV以上必要となる。
• CDF IIの$W$ボソン質量測定は、唯一ケースCと整合的であり、最も軽い重い中性レプトンの質量ウィンドウが2–3 TeVの狭い範囲に予測される。
• モデルは$f_a \sim 10^8$ GeVの軽いアキソン的マジョロンを予測しており、強いCP問題を解決するとともに、暗黒物質に寄与する可能性がある。
• ケースAおよびBでは、$\tau \to \mu\gamma$が主要な放射性崩壊であり、$\mu \to e\gamma$および$\tau \to e\gamma$の分岐比は、ニュートリノ質量順序に依存して階層的でない。
• モデルのMLFV構造により、すべての$d=6$型オペレーター係数が相関しており、予測力が向上し、$\mu \to e$変換や希少崩壊からの実験的制約と直接比較可能になる。