[論文レビュー] Neutrino Masses, Leptonic Flavor Mixing and Muon $(g-2)$ in the Seesaw Model with the $U(1)^{}_{L^{}_\mu-L^{}_ au}$ Gauge Symmetry

Shun Zhou|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 138被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、$4.2\sigma$の偏差を示すミュオンの異常磁気モーメント（$a_\mu$）の解明、見せかけのニュートリノ質量の生成、およびレプトンのフラバー混合の説明を同時に達成する、$U(1)_{L_\mu - L_\tau}$対称性をゲージ化した経済的タイプ-(I+II)見せかけモデルを提案する。モデルは追加のスカラー単一状態を1つだけ導入し、$U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ゲージ対称性の自発的対称性の破れが、すべての3つの現象に不可欠である。

ABSTRACT

The latest measurements of the anomalous muon magnetic moment $a^{}_\mu \equiv (g^{}_\mu - 2)/2$ show a $4.2\sigma$ discrepancy between the theoretical prediction of the Standard Model and the experimental observations. In order to account for such a discrepancy, we consider a possible extension of the type-(I+II) seesaw model for neutrino mass generation with a gauged $L^{}_\mu - L^{}_ au$ symmetry. By explicitly constructing an economical model with only one extra scalar singlet, we demonstrate that the gauge symmetry $U(1)^{}_{L^{}_\mu - L^{}_ au}$ and its spontaneous breaking are crucially important not only for explaining the muon $(g - 2)$ result but also for generating neutrino masses and leptonic flavor mixing. Various phenomenological implications and experimental constraints on the model parameters are also discussed.

研究の動機と目的

• 標準模型を越えてミュオンの異常磁気モーメント（$a_\mu$）における$4.2\sigma$の偏差を説明すること。
• 見せかけの枠組み内で現実的なニュートリノ質量とレプトンのフラバー混合を生成すること。
• $a_\mu$の増幅とニュートリノ質量生成の両方を実現する、追加のスカラー単一状態のみを有する最小限で経済的なモデルを構築すること。
• モデルが実験的制約と物理的妥当性を満たしていることを保証すること。

提案手法

• ニュートリノ質量生成のためのタイプ-(I+II)見せかけモデルに$U(1)_{L_\mu - L_\tau}$対称性を導入する。
• 真空期待値をとる1つのスカラー単一状態の存在を仮定し、$U(1)_{L_\mu - L_\tau}$対称性の自発的対称性の破れを引き起こす。
• ループ補正を通じて、破れた$U(1)$から生じる$W'$ボソンがミュオンの$g-2$に寄与するように、ヤクビおよびゲージ相互作用を構築する。
• 右手系ニュートリノによるタイプ-Iとトリプレットヒッグスによるタイプ-IIの両方の寄与を通じて、見せかけの機構を実装し、小さなニュートリノ質量を生成する。
• ヤクビカップリングにおける適切なフラバー構造を通じて、観測されたレプトンのフラバー混合パターンを再現する。
• パラメータ空間を分析し、$a_\mu$、ニュートリノ振動データ、および新しい粒子の直接探索からの制約を満たす。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 追加のスカラー単一状態を1つだけ有する最小限の見せかけモデル拡張は、同時にミュオン$g-2$の異常と小さなニュートリノ質量の生成を説明できるか？
• RQ2 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ゲージ対称性の自発的対称性の破れは、ミュオン磁気モーメントとニュートリノ質量生成にどのように影響するか？
• RQ3 特に$W'$ボソンの質量と標準模型の$W$ボソンとの混合に関して、モデルパラメータの物性的制約は何か？
• RQ4 モデルはニュートリノ振動における観測されたレプトンのフラバー混合パターンをどの程度再現できるか？
• RQ5 コライダー探索および精度測定からの現在の実験的限界のもとで、モデルは妥当性を保っているか？

主な発見

• $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ゲージ対称性およびその自発的対称性の破れは、単一の枠組み内でミュオン$g-2$の増幅と小さなニュートリノ質量の両方を生成するために不可欠である。
• ループ内での$W'$ボソン交換を通じて、$a_\mu$に顕著な寄与が得られ、$4.2\sigma$の偏差と整合的である。
• ニュートリノ質量はタイプ-Iおよびタイプ-IIの見せかけ機構の組み合わせにより生成され、スカラー単一状態が見せかけスケールの鍵をなす。
• モデルは、LHCや将来のコライダーで観測可能なTeVスケールの$W'$ボソンを予測する。
• レプトン系におけるフラバー混合パターンは、モデル内のヤクビカップリングの構造を通じて自然に再現される。
• ニュートリノ振動データや$Z$ボソンの非可視崩壊からの制約を含め、現在の実験的制約と整合的である。