[論文レビュー] Probing TeV scale origin of neutrino mass at lepton colliders

P. S. Bhupal Dev, Rabindra N. Mohapatra+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、将来の $e^+e^-$ レプトン衝突型加速器が、$B-L$ 対称性を有する左対称モデルのテヴェルトスケールのスカラーセクターを調べられることを提案している。特に、中性の $H_3$ および二重に電荷を帯びた $H^{±\pm}$ ヒッグスボソンに注目している。レプトンフラバー非保存信号、例えば $e^+e^- \to \mu^\pm \tau^\mp + H_3$ や $H^{±\pm}$ 対生成が、それぞれ $10^{-4}$ および $10^{-3}$ のヤウカフカップリングを、現在の実験的到達域をはるかに超えて探査可能であることを示している。

ABSTRACT

We point out how future lepton colliders can provide unique insight into the scalar sector of TeV scale models for neutrino masses with local $B-L$ symmetry. Our specific focus is on the minimal TeV scale left-right model, which naturally embeds this $B-L$ symmetry. In particular, we make a detailed study of the lepton collider implications of the neutral ($H_3$) and doubly-charged ($H^{\pm\pm}$) scalars from the right-handed triplet Higgs that is responsible for the spontaneous breaking of the $B-L$ symmetry and implementing the seesaw mechanism. Due to mixing with other scalars, the neutral scalar $H_3$ could acquire sizable flavor violating couplings to the charged leptons. Produced on-shell or off-shell at the planned $e^+e^-$ colliders, it would induce distinct lepton flavor violating signals like $e^+e^- o \mu^\pm au^\mp ~ (+H_3)$, with the couplings probed up to $\sim 10^{-4}$ for a wide range of neutral scalar mass, which is well beyond the reach of current searches for charged lepton flavor violation. The Yukawa couplings of the doubly-charged scalar $H^{\pm\pm}$ to the charged leptons might also be flavor-violating, which is correlated to the heavy right-handed neutrino masses and mixings. With a combination of the pair, single and off-shell production of $H^{\pm\pm}$ like $e^+e^- o H^{++} H^{--},\, H^{\pm\pm} e^\mp \mu^\mp,\, \mu^\pm au^\mp$, the Yukawa couplings can be probed up to $10^{-3}$ at future lepton colliders, which is allowed by current lepton flavor data in a large region of parameter space. For both the neutral and doubly-charged cases, the scalar masses could be probed up to the few-TeV range in the off-shell channel.

研究の動機と目的

• テヴェルトスケールの局所的 $B-L$ 対称性を有するモデルのスカラーセクターを、将来のレプトン衝突型加速器がどの程度探査可能かを検討すること。
• 最小左対称モデルにおける右対称トリプレットヒッグスボソン $H_3$ および $H^{\pm\pm}$ の物性を調査すること。
• これらのスカラがレプトンに及ぼすフラバー非保存カップリングを、$e^+e^-$ 衝突型加速器がどの程度探査可能かを評価すること。
• オンシェル、オフシェル、および単一生成モードにおけるスカラ質量およびヤウカフカップリングへのコライダー探索の感度を特定すること。

提案手法

• $B-L$ 対称性を有する最小のテヴェルトスケール左対称モデルに注目し、右対称トリプレットヒッグスセクターに焦点を当てる。
• 他のスカラとの混合効果が、レプトンにフラバー非保存カップリングを生成するメカニズムを検討する。
• $e^+e^-$ 衝突型加速器における $H_3$ および $H^{\pm\pm}$ のオンシェルおよびオフシェル生成を、$e^+e^- \to H_3 + \mu^\pm \tau^\mp$ や $e^+e^- \to H^{++}H^{--}$ といった過程を通じて評価する。
• $H^{\pm\pm}$ のヤウカフカップリングと重い右対称ニュートリノ質量との相関関係を用いて、フラバー非保存相互作用を制約する。
• コライダー物性論的手法を適用し、さまざまな生成チャネルにおけるヤウカフカップリングおよびスカラ質量への感度を推定する。
• オフシェル生成を介して、将来の加速器が数テヴェルトスケールの範囲におけるスカラ質量をどの程度まで探査可能かを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 将来の $e^+e^-$ 衝突型加速器は、現在の実験的限界をはるかに超えて、中性スカラ $H_3$ のレプトンフラバー非保存カップリングを探査可能か？
• RQ2 レプトン衝突型加速器は、二重に電荷を帯びたスカラ $H^{\pm\pm}$ のヤウカフカップリングに対してどの程度感度を持つのか。また、それらは右対称ニュートリノ質量とどのように関係しているか？
• RQ3 $H_3$ および $H^{\pm\pm}$ のオフシェル生成は、スカラ質量測定の到達域をどの程度拡張可能か？
• RQ4 他のスカラとの混合効果は、$H_3$ および $H^{\pm\pm}$ のカップリングのフラバー構造にどのように影響を与えるか？
• RQ5 将来のレプトン衝突型加速器で、$H_3$ および $H^{\pm\pm}$ に対してどの程度のヤウカフカップリングスケールまで探査可能か？

主な発見

• 中性スカラ $H_3$ は、$e^+e^- \to \mu^\pm \tau^\mp + H_3$ のようなレプトンフラバー非保存過程を媒介可能であり、カップリングの探査が $\sim 10^{-4}$ まで可能である。
• $H_3$ のフラバー非保存カップリングは、他のスカラとの混合によって生じ、$e^+e^-$ 衝突型加速器におけるオンシェルまたはオフシェル生成によって検出可能である。
• 二重に電荷を帯びたスカラ $H^{\pm\pm}$ は、ペア生成、単一生成、またはオフシェル生成モードで生成可能であり、ヤウカフカップリングを $10^{-3}$ まで探査可能である。
• $H^{\pm\pm}$ のヤウカフカップリングは、重い右対称ニュートリノ質量および混合と相関しており、シー・スイッチメカニズムのパrameterと結びつく。
• 両方の $H_3$ および $H^{\pm\pm}$ のオフシェル生成により、数テヴェルトスケールの範囲におけるスカラ質量への感度が得られる。
• 将来のレプトン衝突型加速器の総合的な到達域は、特に $H_3$ および $H^{\pm\pm}$ のカップリングに関して、現在の制限を桁違いに上回る。