[論文レビュー] GeV Seesaw, Accidentally Small Neutrino Masses, and Higgs Decays to Neutrinos

André de Gouvêa|ArXiv.org|Jun 12, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 17

ひとこと要約

この論文は、ヨーク・カップリングとメジャノン質量項のキャンセレーションによる見かけの小さなニュートリノ質量を、せみのメカニズムによって説明し、GeVスケールの右手型ニュートリノが、小さなアクティブニュートリノ質量にもかかわらず、アクティブニュートリノと数パーセントの割合で混合する可能性を提案している。その場合、130 GeV未満のヒッグス粒子は、アクティブとステアイルドニュートリノへの崩壊が支配的となり、最終状態に電荷を帯びたレプトン、ジェット、および運動量の欠損（MET）を含む、LHCで観測可能な signatures を生じる可能性がある。

ABSTRACT

If the Standard Model particle content is extended by gauge singlet fermions (right-handed neutrinos), active neutrinos generically acquire (Majorana) masses, in agreement with our current understanding of the lepton sector. If the right-handed neutrino masses are of the same order as the electroweak symmetry breaking scale, it is usually expected that these will not mediate any experimentally observable effects. Here, I explore the fact that this is not necessarily the case. If neutrino masses are "accidentally small", active-sterile mixing angles can, according to current experimental bounds, be as large as several percent. If this is the case, I argue that the dominant decay mode of light (M_H less than 130 GeV) Higgs bosons could be into an active and a sterile neutrino. The sterile neutrino decays promptly into a charge lepton and an on- or off-shell W-boson, so that the dominant Higgs boson decay mode is H to leptons + jets + missing transverse energy.

研究の動機と目的

• ヨーク・カップリングとメジャノン質量項のキャンセレーションによる見かけの小さなニュートリノ質量を持つ、タイプIのせみのメカニズムの効果的な物理的結果を調査すること。
• 電弱スケール（GeVスケール）の右手型ニュートリノが、従来の期待とは異なり、このような状態が見えないものであるにもかかわらず、観測可能な効果をもたらすかどうかを調査すること。
• 現在のニュートリノ質量とレプトンのフレーバー変換に関する実験的制約の文脈において、最大数パーセントのアクティブ-ステアイルド混合角が実現可能かどうかを評価すること。
• 130 GeV未満のヒッグス粒子が、アクティブ-ステアイルドニュートリノ対への崩壊を主に経由する可能性があるかどうかを検討すること。その場合、運動量の欠損と電荷を帯びたレプトンを含む、特徴的な加速器シグネチャが生じる。
• せみのスケールが電弱スケールにあり、ニュートリノ質量が誤って小さい場合、ヒッグス物理学とレプトン数の破れに関する影響を、テバトロンおよびLHCでの観測にどのように関連付けるかを評価すること。

提案手法

• 右手型ニュートリノのメジャノン質量行列を含む一般化されたニュートリノ質量行列を用いたタイプIのせみのメカニズム：$ m_{\nu} = \begin{pmatrix} 0 & yv \\ (yv)^T & M \end{pmatrix} $、ここで $ y $ はヨーク・カップリング、$ v = 246 $ GeV、$ M $ は右手型ニュートリノのメジャノン質量行列である。
• $ yvM^{-1} \ll 1 $ を仮定したせみの近似を適用し、軽いニュートリノ質量 $ m_a \sim y^2 v^2 / M $ とアクティブ-ステアイルド混合角 $ \Theta \sim yv / M $ を得る。
• $ yvM^{-1} $ 項におけるキャンセレーションが生じる条件を特定し、$ m_a $ が誤って小さくなる一方で、$ \Theta $ が大きく（最大約3%）保たれることを示し、$ \Theta \sim \sqrt{m_a / M} $ の単純なスケーリングに反する。
• ニュートリノ質量の非双極性二重ベータ崩壊、レプトンのフレーバー変換、およびLEPによる中性重レプトン探索からのアクティブ-ステアイルド混合の実験的制約を評価する。
• $ H \to \ell + \text{jets} + E_T^\text{miss} $ の分岐比を計算し、$ H \to \ell N \to \ell W^* \ell \ell $ の経路を通じて、$ M_H \lesssim 130 $ GeV の場合、標準模型の $ H \to b\bar{b} $ の率を超える可能性があることを示す。
• フラバー対称性や水平対称性が、ニュートリノ質量の誤って小さい性質を説明する可能性のある動的メカニズムである可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 右手型ニュートリノ質量がGeVスケールであっても、アクティブ-ステアイルド混合角が大きく（数パーセント）なる可能性はあるか？
• RQ2 GeVスケールの右手型ニュートリノに対して、アクティブ-ステアイルド混合角の物理的制約は何か？また、数パーセントの値に達する可能性はあるか？
• RQ3 ヒッグス粒子がアクティブとステアイルドニュートリノに支配的に崩壊する条件は何か？その場合の加速器シグネチャは？
• RQ4 このような状況下で、$ H \to \ell + \text{jets} + E_T^\text{miss} $ の分岐比が、軽いヒッグス粒子に対して標準模型の $ H \to b\bar{b} $ の率を超える可能性はあるか？
• RQ5 レプトンのフレーバー変換、ニュートリノ質量の非双極性二重ベータ崩壊、およびLEP探索からの制約は、このモデルの実現可能性をどのように制限するか？

主な発見

• $ yvM^{-1} $ 項におけるキャンセレーションが生じる場合、誤って小さなニュートリノ質量（$ m_a \sim 0.1 $ eV）であっても、アクティブ-ステアイルド混合角が $ \Theta \sim 3\% $ に達する可能性がある。
• $ M_{ij} \gtrsim 1 $ GeV の場合、現在の実験的制約のもとで、混合角はモデルパラメータに依存して数パーセントまで許容される。
• アクティブ-ステアイルド混合角が大きく、右手型ニュートリノがGeVスケールにある場合、$ M_H \lesssim 130 $ GeV の範囲で、ヒッグス粒子の $ \nu_a N_i $ への崩壊幅が、標準模型の $ H \to b\bar{b} $ の崩壊幅と同等またはそれ以上になる可能性がある。
• その場合、ヒッグス粒子の主要崩壊モードは $ H \to \ell + \text{jets} + E_T^\text{miss} $ になると予想され、最終状態には $ N_i \to \ell W^{(*)} $ の崩壊から生じる電荷を帯びたレプトンが含まれるため、LHCでの特徴的なシグネチャとなる。
• このような状況では、顕著なレプトン数の破れが生じ、テバトロンおよびLHCでのレア崩壊と運動量の欠損シグネチャを通じて探査可能となる可能性がある。
• 誤って小さなニュートリノ質量が、隠れた水平対称性によって保護される場合、このモデルは成立し続ける。この対称性は、大きなニュートリノ質量行列への寄与を抑制しつつ、大きな混合角を許容する。