[論文レビュー] Neutrinophilic two Higgs doublet model with $U(1)$ global symmetry

Kingman Cheung, Hiroshi Okada+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、U(1)グローバル対称性を備えたニュートリノ愛好的2ヒッグスダブルレットモデルを提案する。第二のヒッグスダブルレットは、特異なフェルミオンを含む1ループ量子補正によって非常に小さな真空期待値（VEV）を獲得する。このメカニズムにより、微調整が必要なヤコビ係数を必要とせず、自然に小さなアクティブニュートリノ質量が生成され、将来の未来円形衝突型加速器（FCC）で検出可能なゲルマンスケールのステアーリングニュートリノを予測する。これはニュートリノ質量生成および標準模型を越える素粒子物理学の検証可能なフレームワークを提供する。

ABSTRACT

We propose a neutrinophilic two-Higgs-doublet model, where the vacuum expectation value (VEV) of the second Higgs doublet is only induced at one-loop level via several neutral fermions. Thus, the masses of active neutrinos arising from the Higgs doublets are naturally small via such a tiny VEV. We discuss various phenomenology of the model, including the neutrino masses and oscillations, bounds on non-unitarity, lepton-flavor violations, the oblique parameters, the muon anomalous magnetic moment, the GeV-scale sterile neutrino candidate arising from the tiny VEV, and collider signatures. We finally discuss the possibility of detecting the sterile neutrino suggested in the experiment of Future Circular Collider (FCC).

研究の動機と目的

• アクティブニュートリノの小さな質量を、微調整が必要なヤコビ係数に依存せずに説明すること。
• 2ヒッグスダブルレットモデル（THDM）にU(1)グローバル対称性と特異なフェルミオンを導入し、ループ効果によって第二のヒッグスダブルレットの非常に小さなVEVを生成すること。
• ニュートリノ振動、レプトン数非保存過程、斜めパラメータ、ミュオンのg−2からの物理的制約を検討すること。
• 非常に小さなVEVから生じる、妥当なゲルマンスケールのステアーリングニュートリノ候補を特定し、将来の加速器（FCCなど）での検出可能性を評価すること。
• ステアーリングニュートリノが20×20の混合行列を有することにより、標準的シーブスモデルと比較してより容易に検出可能である、検証可能なモデルを提供すること。

提案手法

• 特異なフェルミオン（ディラック型およびメジャノナ型）とスカラーダイレクトを介したU(1)グローバル対称性を導入し、第二のヒッグスダブルレットのVEVをループ効果で誘導する。
• 標準模型に類似したヒッグスダブルレット（Φ₁）、不活性ダブルレット（Φ₂）および特異なフェルミオンを含むヤコビ相互作用ラグランジアンを導入し、第二のダブルレットのVEVを1ループレベルで生成する。
• 特異なフェルミオンを含む1ループファインマン図を用いて、Φ₂のVEV（v₂）のループ誘導生成を計算し、自然に小さな値であることを保証する。
• ニュートリノ質量、レプトン数非保存過程（例：μ→eγ）、斜めパラメータ（S, T, U）、ミュオンの異常磁気モーメント（g−2）の解析的式を導出する。
• ニュートリノ振動データ、LFVの制約、斜めパラメータ、g−2の制約を用いた数値的解析により、妥当なパrameter空間を特定する。
• LHCにおけるコライダーのシグネチャと、FCCにおけるステアーリングニュートリノの混合および崩壊モードを用いた検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 U(1)対称性を有するTHDMの拡張において、第二のヒッグスダブルレットの非常に小さな真空期待値が1ループ補正によって自然に生成可能か？
• RQ2 このモデルは、観測されたニュートリノ振動データと非ユニタリティの制約を満たすとともに、レプトン数非保存過程および斜めパラメータの制約を満たすか？
• RQ3 非常に小さなVEVから生じるステアーリングニュートリノ状態の質量と混合パターンは何か？また、FCCなどの将来の加速器で検出可能か？
• RQ4 このモデルは、測定されたミュオンのg−2の異常と他の精密電弱観測量を同時に満たすことができるか？
• RQ5 20×20のニュートリノ混合行列が、標準的シーブスモデルと比較してステアーリングニュートリノの物性および検出可能性に与える影響は何か？

主な発見

• 第二のヒッグスダブルレットの真空期待値（v₂）は、特異なフェルミオンのループによって1ループレベルで生成され、自然に小さな値となり、小さなアクティブニュートリノ質量を説明する。
• このモデルは、ニュートリノ振動データ、レプトン数非保存過程（例：μ→eγ）、斜めパラメータ（S, T, U）、およびミュオンのg−2のすべての制約を満たす。g−2は負の寄与を示し、さらなる微調整が必要な可能性がある。
• 20–50 GeVの質量と混合角の二乗θₛ² ≈ 10⁻¹²～10⁻¹¹のゲルマンスケールのステアーリングニュートリノが予測され、FCC実験の検出範囲内にある。
• すべての実験的制約を満たすステアーリングニュートリノ領域は、20×20の混合行列のおかげで、標準的シーブスモデルと比較して著しく検出可能性が向上している。
• 本モデルは、LHCにおける特異な荷電フェルミオン（E′）を含むDrell-Yan過程による検出シグネチャを予測する。また、U(1)対称性に由来するゴルドンボソンGは、初期宇宙の相転移に伴う重力波からも探査可能である。
• 追加の不活性ダブルレットを導入した場合、ダークマターの制約と整合的であり、500 GeVのダークマター候補が可能である。