[論文レビュー] Leptogenesis Constraints on $B-L$ breaking Higgs Boson in TeV Scale Seesaw Models

P. S. Bhupal Dev, Rabindra N. Mohapatra+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 44被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、TeVスケールのタイプI see-sawモデルにおけるB-L対称性の破れを伴うヒッグス粒子が宇宙論的制約に与える影響を調査し、重いメジャナナネーターとの中での相互作用が、レプトン数非対称性の顕著な希釈を引き起こすことを示している。有効場理論とグローバル／ローカルU(1)_{B-L}のシナリオを用いて、特に重いニュートリノより軽い場合に、スカラーの質量および結合定数に対するきびしい制約を導出している。これは、LHCにおけるコライダー探索に影響を与える。

ABSTRACT

In the type-I seesaw mechanism for neutrino masses, there exists a $B-L$ symmetry, whose breaking leads to the lepton number violating mass of the heavy Majorana neutrinos. This would imply the existence of a new neutral scalar associated with the $B-L$ symmetry breaking, analogous to the Higgs boson of the Standard Model. If in such models, the heavy neutrino decays are also responsible for the observed baryon asymmetry of the universe via the leptogenesis mechanism, the new seesaw scalar interactions with the heavy neutrinos will induce additional dilution terms for the heavy neutrino and lepton number densities. We make a detailed study of this dilution effect on the lepton asymmetry in three generic classes of seesaw models with TeV-scale $B-L$ symmetry breaking, namely, in an effective theory framework and in scenarios with global or local $U(1)_{B-L}$ symmetry. We find that requiring successful leptogenesis imposes stringent constraints on the mass and couplings of the new scalar in all three cases, especially when it is lighter than the heavy neutrinos. We also discuss the implications of these new constraints and prospects of testing leptogenesis in presence of seesaw scalars at colliders.

研究の動機と目的

• TeVスケールのシー・サウモデルにおけるB-L対称性破れヒッグス粒子が、レプトン生成過程におけるレプトン非対称性生成に与える影響を調査すること。
• 有効場理論（EFT）、グローバルU(1)_{B-L}、ローカルU(1)_{B-L}の3つのモデルクラスにおいて、成功したレプトン生成を満たす条件から、新しいスカラーの質量および結合定数に関する制約を導出すること。
• シー・サウスカラーがレプトン数密度に与える希釈およびウォッシュアウト効果を、レプトン生成の過程で検討すること。
• LHCおよび将来のハドロンコライダーでこれらの制約を検出可能かどうかを評価すること。
• レプトン生成メカニズムの詳細に依存しない、スカラーのパラメータに関するモデル独立の制約を提供すること。

提案手法

• B-L対称性の破れを伴う新しい中性スカラーが重いメジャナナニュートリノと結合する有効場理論（EFT）フレームワークを構築すること。
• 重いニュートリノおよびレプトン数との相互作用を含むボルツマン方程式を用いて、スカラーがレプトン非対称性に与える希釈およびウォッシュアウト効果を分析すること。
• レプトン数および重いニュートリノ数密度のボルツマン方程式を導出し、新しいスカラーの崩壊および逆過程への寄与を含めること。
• スカラーが媒介する重いニュートリノの崩壊および逆崩壊率を、位相空間および熱平均を含めて計算すること。
• ボルツマン方程式の解を通じて、スカラーが最終的なレプトン非対称性に与える影響を評価し、希釈係数の明示的表現を導出すること。
• 結果を3つのモデルクラス（EFT、グローバルU(1)_{B-L}（シングレット・メジャノンモデル）、ローカルU(1)_{B-L}（ゲージ理論モデル））に適用し、すべてのモデル間での制約を比較すること。
• スカラーが右巻きニュートリノ（RHN）およびゲージボソン（例：$Z_R$）に崩壊する部分幅を導出し、運動的制約およびコライダーのシグネチャを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TeVスケールのシー・サウモデルにおけるB-L対称性破れヒッグス粒子の存在が、レプトン生成によるレプトン非対称性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 成功したレプトン生成を満たすために、B-Lスカラーの質量および結合定数に課されるモデル独立の制約は何か？
• RQ3 EFT、グローバルU(1)_{B-L}、ローカルU(1)_{B-L}の各シナリオにおいて、シー・サウスカラーによる希釈およびウォッシュアウト効果はどのように異なるか？
• RQ4 スカラー誘発希釈が支配的になる条件は何か？また、LHCでそれがどのように探査可能か？
• RQ5 B-Lスカラーのコライダー・シグネチャは何か？また、それらはレプトン生成の成功とどのように相関するか？

主な発見

• B-Lスカラーによるレプトン非対称性の希釈は、特に重いメジャナナニュートリノより軽い場合に、その質量および結合定数にきびしい制約を課す。
• EFT、グローバルU(1)_{B-L}、ローカルU(1)_{B-L}のすべてのモデルクラスにおいて、成功したレプトン生成には、B-Lスカラーの結合定数が十分に小さいか、または質量が十分に大きくなければならない。
• ローカルU(1)_{B-L}モデルでは、スカラーが$Z_R$ボソンと結合する性質および$Z_R Z_R$への崩壊幅が、運動的閾値および部分幅の計算によって制約を受ける。
• $H_3 \to Z_R Z_R$の部分幅は位相空間の抑制および閾値依存性を伴い、$\theta(m_{H_3} - 2m_{Z_R})$により運動的有効性が保証される。
• スカラーが2つのRHNに崩壊する幅は、$\frac{m_{H_3}^3}{64\tau v_R^2} \times \text{位相空間}$の式で記述され、オンシェル崩壊の閾値条件を満たす。
• LHC、特に高インテグレート・フラックスモードでは、RHN対生成および関連するスカラーのシグネチャを直接探査可能であり、レプトン生成の制約を検証するための実験的テストベッドを提供する。