[論文レビュー] Neutrino mass in a gauged $L_μ- L_τ$ model

Chuan-Hung Chen, Takaaki Nomura|arXiv (Cornell University)|May 30, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、ニュートリノ質量をレプトン数の破れと$U(1)_{L_\mu - L_\tau}$対称性の自発的破れを介して生成する、ヒッグストリプレット、2つのシングレットスカラー、2つのベクトル型の二重レプトンを備えたゲージ化$ L_\mu - L_\tau $モデルを提案する。このモデルは、フレームプトン＝グレースホウ＝マーファティ（FGM）二重ゼロテクスチャーのニュートリノ質量行列を達成し、$\sum |m_j| < 0.12$ eVおよび$\langle m_{\beta\beta} \rangle = (0.34, 2.3) \times 10^{-2}$ eVをもたらす。$v_\Delta \sim 0.01$ GeVおよび$Y_{45} \sim 0.05$の条件下で、$H^{\pm\pm} \to \mu^\pm\tau^\pm$の崩壊が10%レベルで観測可能となる。また、Belle IIで検出可能な$ h \to \mu\tau $および$ \tau \to \mu Z'Z' $のような関連するレプトン数の破れを伴う過程も予測する。

ABSTRACT

We study the origin of neutrino mass through lepton-number violation and spontaneous $U(1)_{L_μ-L_τ}$ symmetry breaking. To accomplish the purpose, we include one Higgs triplet, two singlet scalars, and two vector-like doublet leptons in the $U(1)_{L_μ-L_τ}$ gauge extension of the standard model. To completely determine the free parameters, we employ the Frampton-Glashow-Marfatia (FGM) two-zero texture neutrino mass matrix as a theoretical input. It is found that when some particular Yukawa couplings vanish, an FGM pattern can be achieved in the model. Besides the explanation of neutrino data, we find that the absolute value of neutrino mass $m_j$ can be obtained in the model, and their sum can satisfy the upper bound of the cosmological measurement with $\sum_j |m_j| &lt; 0.12$ eV. The effective Majorana neutrino mass for neutrinoless double-beta decay is below the current upper limit and is obtained as $\langle m_{ββ} angle =(0.34,\, 2.3) imes 10^{-2}$ eV. In addition, the doubly charged Higgs $H^{\pm\pm}$ decaying to $μ^\pm τ^\pm$ final states can be induced from a dimension-6 operator and is not suppressed, and its branching ratio is compatible with the $H^{\pm \pm} o W^\pm W^\pm$ decay when the vacuum expectation value of Higgs triplet is $O(0.01)$ GeV.

研究の動機と目的

• 標準模型（SM）の最小的ゲージ拡張として、レプトン数の破れと$U(1)_{L_\mu - L_\tau}$対称性の自発的破れを介してニュートリノ質量の起源を説明すること。
• 理論的入力としてフレームプトン＝グレースホウ＝マーファティ（FGM）二重ゼロテクスチャーのニュートリノ質量行列を実現し、モデルのパラメータを制約すること。
• ニュートリノ質量の和（$\sum |m_j| < 0.12$ eV）およびニュートリノ質量のない二重ベータ崩壊の有効メジャーナ質量の上限に対する宇宙論的制約を満たすこと。
• フラバー物理学およびコライダー理論的現象論的側面において、実現可能な信号を探索すること。具体的には、レプトン数の破れを伴う崩壊および二重に電荷を帯びたヒッグス粒子の崩壊を含む。

提案手法

• レプトン数の破れを媒介するため、 hypercharge $Y=1$ で$U(1)_{L_\mu - L_\tau}$荷重がゼロのヒッグストリプレットを導入する。
• ゲージ対称性の自発的破れを可能にするために、$U(1)_{L_\mu - L_\tau}$荷重が互いに反対の2つのシングレットスカラーを導入し、メジャナ質量の生成を可能にする。
• SMレプトンとシングレットスカラーとの間の結合を維持するため、2つのベクトル型の二重レプトンを導入し、ゲージ不変性を保つ。
• 自由パラメータを削減するために、ニュートリノ質量行列の自由パラメータを固定するため、理論的入力としてFGM二重ゼロテクスチャーを実装する。
• 次元6のオペレーターを介して、$Y_{45}$ヤコビ係数を用いて$H^{\pm\pm} \to \mu^\pm\tau^\pm$の崩壊断面積を大きくし、木レベルの$W^\pm W^\pm$崩壊を補完する。
• 有効ラグランジアンを用いて、$h \to \mu\tau$、$\tau \to \mu Z'Z'$、$H^{\pm\pm} \to \mu^\pm\tau^\pm$の分岐比を計算し、実験的感度と比較する。

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、2つのシングレットスカラー、2つのベクトル型レプトンを備えたゲージ化$ L_\mu - L_\tau $モデルが、$U(1)_{L_\mu - L_\tau}$対称性の自発的破れを介して現実的なニュートリノ質量行列を生成できるか？
• RQ2 特定のヤコビ係数がゼロのとき、モデルがフレームプトン＝グレースホウ＝マーファティ二重ゼロテクスチャーのニュートリノ質量行列を実現するか？
• RQ3 モデルがニュートリノ質量の和（$\sum |m_j| < 0.12$ eV）およびニュートリノ質量のない二重ベータ崩壊の有効メジャーナ質量の上限に対する宇宙論的制約を満たすか？
• RQ4 レプトン数の破れを伴う過程、たとえば$ h \to \mu\tau $、$ \tau \to \mu Z'Z' $、$ H^{\pm\pm} \to \mu^\pm\tau^\pm $の現象論的意味は何か？
• RQ5 $H^{\pm\pm} \to \mu^\pm\tau^\pm$の分岐比が大きく、将来のコライダーまたは$B$ファクトリーで検出可能か？

主な発見

• 特定のヤコビ係数がゼロのとき、モデルはFGM二重ゼロテクスチャーのニュートリノ質量行列を実現し、自由パラメータを完全に決定可能となる。
• ニュートリノ質量の和は宇宙論的上限を満たしており、$\sum |m_j| < 0.12$ eVであり、現在の宇宙論的測定と整合的である。
• ニュートリノ質量のない二重ベータ崩壊の有効メジャーナ質量は$\langle m_{\beta\beta} \rangle = (0.34, 2.3) \times 10^{-2}$ eVであり、現在の実験的上限を下回っている。
• $v_\Delta \sim 0.01$ GeVおよび$Y_{45} \sim 0.05$の条件下で、$H^{\pm\pm} \to \mu^\pm\tau^\pm$の分岐比は$W^\pm W^\pm$崩壊率の最大10%に達し、実現可能な発見チャンネルとなる。
• BR($h \to \mu\tau$)とBR($\tau \to \mu Z'Z'$)の間に相関が存在し、後者は50 ab$^{-1}$のデータでBelle IIの感度範囲内に達する（$\sim 10^{-9}$）。
• $H^{\pm\pm} \to \mu^\pm\tau^\pm$の崩壊は次元6のオペレーターによって誘導され、抑制されず、$Y_{45}$結合が分岐比の増幅に重要な役割を果たす。