[論文レビュー] Left-Right Symmetric Model without Higgs Triplets

K. S. Babu, Anil Thapa|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 126被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、従来のヒッグストリプレットの代わりにヒッグスダブルレットと新しい電荷付きスカラー η⁺ を用いて、二重ループ図を通じて右手型ニュートリノのメジャナ型質量を生成する最小限の左右対称モデル（LRSM）を提案する。このモデルは、W_R の質量がテルアスケールからGUTスケールにわたり、ニュートリノ振動データをうまく説明でき、TeVスケールでMeVスケールのν_R質量を予測し、低エネルギー、宇宙論的、および超新星制約と整合性を保ちつつ、LHCデータからη⁺質量に390 GeVの下限を設定する。

ABSTRACT

We develop a minimal left-right symmetric model based on the gauge group $SU(3)_C \otimes SU(2)_L \otimes SU(2)_R \otimes U(1)_{B-L}$ wherein the Higgs triplets conventionally employed for symmetry breaking are replaced by Higgs doublets. Majorana masses for the right-handed neutrinos $(ν_R$) are induced via two-loop diagrams involving a charged scalar field $η^+$. This setup is shown to provide excellent fits to neutrino oscillation data via the seesaw mechanism for the entire range of the $W_R^\pm$ mass, from TeV to the GUT scale. When the $W_R^\pm$ mass is at the TeV scale, the $ν_R$ masses turn out to be in the MeV range. We analyze constraints from low energy experiments, early universe cosmology and from supernova 1987a on such a scenario and show its consistency. We also study collider implications of a relatively light $η^+$ scalar through its decay into multi-lepton final states and derive a lower limit of 390 GeV on its mass from the LHC, which can be improved to 555 GeV in its high luminosity run.

研究の動機と目的

• 従来の自発的対称性破れおよびシーイズ機構に必要なヒッグストリプレットを避ける最小限の左右対称モデル（LRSM）の構築を目的とする。
• 従来のヒッグストリプレット系をヒッグスダブルレット（χ_L, χ_R）と新しい電荷付きスカラー η⁺ に置き換え、右手型ニュートリノ（ν_R）のメジャナ型質量を二重ループ図を通じて生成することを目的とする。
• この構成が、W_R ゲージボソンの質量がテルアスケールからGUTスケールにわたり、ニュートリノ振動データを完全に再現できることを示すこと。同時に、実験的および宇宙論的制約と整合していることも示すこと。
• 特に、η⁺が多レプトン終状態に崩壊する場合のコライダーのシグネチャを分析し、LHCデータを用いてη⁺の質量下限を導出すること。
• 二重電荷を有するヒッグスボソンが通常のトリプレットモデルに関連するが、本モデルではそれがないにもかかわらず、低エネルギー、初期宇宙、および超新星1987aの制約と整合していることを示すこと。

提案手法

• ゲージ群 SU(3)_C × SU(2)_L × SU(2)_R × U(1)_{B-L} を採用し、左・右対称性の破れにヒッグスダブルレット χ_L と χ_R を用い、フェルミオン質量生成にはバイダブルレット Φ を用いる。
• レプトン数を破壊する複素スカラー η⁺（1,1,2）を新たに導入し、右手型ニュートリノとヤコビ相互作用を介して二重ループによるメジャナ型質量を媒介する。
• ν_R のメジャナ型質量は、η⁺ および中性・電荷付きヒッグス状態を含む二重ループ自己エネルギー図を用いて計算され、次元正則化とパスラピン＝ヴェルトマン還元法を用いて振幅を評価する。
• ニュートリノ質量行列は、すべての寄与する二重ループ図の和から得られ、フラーバー構造はユニタリ行列と質量比を含むループ積分に符号化される。
• ループ積分の漸近的極限を二つの状況で分析する：中性ヒッグス H_γ⁰ が電荷付きヒッグス H_β⁺ よりもはるかに重い場合、およびそれらがほぼ degenerate な場合。
• 低エネルギー実験、宇宙論、および超新星1987aからの制約を評価し、η⁺ が多レプトン終状態に崩壊するコライダーのシグネチャを分析して、LHCデータから質量下限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグストリプレットを排除した最小限の左右対称モデルを構築可能か？ また、その場合、シーイズ機構を介して小さなニュートリノ質量を生成できるか？
• RQ2 ヒッグストリプレットが存在しない状況で、右手型ニュートリノのメジャナ型質量はどのように生成されるのか？ また、標準的シーイズと比較して、その物性的性質はどのように異なるか？
• RQ3 このモデルは、W_R の質量がテルアスケールからGUTスケールにわたり、ニュートリノ振動データをどれほどうまく再現できるか？
• RQ4 特に超新星1987aおよび初期宇宙のプロセスから、このモデルに課される宇宙論的・天体物理学的制約は何か？
• RQ5 新しい電荷付きスカラー η⁺ のコライダーのシグネチャは何か？ また、LHCデータを用いてどの程度の質量下限を設定できるか？

主な発見

• 本モデルは、電荷付きスカラー η⁺ を介した二重ループ図を通じて、ヒッグストリプレットを必要とせずに右手型ニュートリノ（ν_R）の小さなメジャナ型質量を生成できることを示した。
• W_R の質量がテルアスケールに近い場合、ν_R の質量はMeVスケールに予測され、シーイズ機構およびニュートリノ振動データと整合的である。
• W_R の質量がテルアスケールからGUTスケールにわたり、ニュートリノ振動データを完全に再現できることを示し、二重ループシーイズ機構の頑健さを裏付けた。
• 二重電荷ヒッグスボソンが存在しないため、低エネルギー実験、初期宇宙の宇宙論、および超新星1987aの制約と整合している。
• LHCの多レプトン終状態に関するデータから、η⁺ スカラーの質量下限は390 GeVに設定され、高インテンシティランでは555 GeVまで向上しうる。
• 二重ループ機構により、標準的LRSMとは異なり、4つの中性スカラー、2つの準スカラー、3つの電荷付きスカラーを有する特徴的なヒッグススケレットが得られる。