[論文レビュー] Radiative neutrino mass in an alternative $U(1)_{B-L}$ gauge symmetry

Takaaki Nomura, Hiroshi Okada|arXiv (Cornell University)|May 23, 2017

Neutrino Physics Research被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、右側ニュートリノに非自明な電荷を割り当てた代替的 $U(1)_{B-L}$ 角運動量対称性に基づく放射核ニュートリノ質量モデルを提案する。ニュートリノ質量は、特異なスカラーおよびフェルミオンのループを通じて1ループで生じる。残りの $Z_2$ 対称性によりダークマターの安定性が保証され、$Z'$ およびゴールドストーンボソン媒介の散乱過程を通じて、ニュートリノ振動データ、レプトンフラバー違反制約、観測されたダークマターの残存密度をうまく適合させている。

ABSTRACT

We propose a neutrino model in which neutrino masses are generated at one loop level and three right-handed fermions have non-trivial charges under $U(1)_{B-L}$ gauge symmetry in no conflict with anomaly cancellation. After the spontaneously symmetry breaking, a remnant $Z_2$ symmetry is induced and plays an role in assuring the stability of dark matter candidate.

研究の動機と目的

• 右側ニュートリノに対する代替的 $U(1)_{B-L}$ 電荷割り当てに基づく放射核ニュートリノ質量モデルを構築すること。
• 異常をキャンセルしゲージ不変性を保ちながら、1ループでニュートリノ質量生成を実現すること。
• $U(1)_{B-L}$ の自発的対称性の破れ後に残る $Z_2$ 対称性によってフェルミオン的ダークマター候補を安定化すること。
• ニュートリノ振動データ、レプトンフラバー違反制約、観測されたダークマター残存密度を $Z'$ およびゴールドストーンボソン媒介散乱を通じて適合させること。

提案手法

• 異常キャンセルと1ループニュートリノ質量生成を可能にするために、右側ニュートリノ3体に $U(1)_{B-L}$ 電荷 $-4, -4, 5$ を割り当てる。
• 対称性の破れと物理的ゴールドストーンボソン（GB）の生成を実現するため、$U(1)_{B-L}$ 電荷が非ゼロの2つの標準模型スカラー場 $\varphi_1, \varphi_2$ を仮定する。
• 1ループニュートリノ質量生成を媒介するため、不活性ダブルットおよびシングレットスカラー（$\eta$, $s$）を導入し、$N_{R_i}$ とスカラー状態を含むループ図を用いる。
• 1ループ自己エネルギー図を用いて、$N_{R_i}$ とスカラー伝播子を含むニュートリノ質量行列を導出する。$\mu$-項の抑制を保証する。
• $M'_{11}$, $v'_{\varphi_2}$, $M_X$ を含む断面積式を用いて、ダークマターフェルミオン $X$ の残存密度を $XX \to Z'$ および $XX \to 2\text{GB}$ によって計算する。
• グローバルおよびベンチマーク解析を実施し、ニュートリノデータ、LFV制約、$\Omega h^2$ を満たすために、ヤクバイ結合、$Z'$ 質量、$M_X$ を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 右側ニュートリノに非自明な $U(1)_{B-L}$ 電荷割り当てを施した放射核ニュートリノ質量モデルを、木レベルの質量生成を回避できるか？
• RQ2 $U(1)_{B-L}$ の自発的対称性の破れが、フェルミオン的ダークマター候補を安定化させる残りの $Z_2$ 対称性をどのように誘導するか？
• RQ3 ニュートリノ振動データ、レプトンフラバー違反制約、正しいダークマター残存密度を再現できるパラメータ領域はどのようなものか？
• RQ4 $Z'$ およびゴールドストーンボソン媒介散乱過程がダークマター残存密度にどのように寄与するか、また許容される質量範囲は何か？

主な発見

• ニュートリノ質量は、$N_{R_i}$, $\eta$, $s$ を含むループを通じて1ループで生成され、ニュートリノ振動データに適合させるためにヤクバイ結合が $\mathcal{O}(0.01)$ のオーダーとなる。
• $U(1)_{B-L}$ の破れ後に残る $Z_2$ 対称性により、最も軽いニュートリノのないフェルミオン $X$ が安定なダークマター候補として成立する。
• 観測されたダークマター残存密度は、$m_{Z'} \sim 2M_X$ のとき $Z'$-媒介散乱によって再現され、共鳴増幅効果が顕著に現れる。
• ゴールドストーンボソン（GB）モードは、特に $M_X \lesssim 100$ GeV かつ $|M'_{11}| \gtrsim 150$ GeV のとき、低い $M_X$ において残存密度に顕著な寄与を示す。
• ダークマターへのヤクバイ結合は無視できるほど小さいため、主な残存密度寄与は $Z'$ および GB に起因する散乱に由来し、直接のヤクバイ相互作用に起因するものではない。
• $v'_2 \ll v'_1$ を満たす条件下で、$v'_1 \sim 66\,\text{TeV}$ および $v'_2 = 500\,\text{GeV}$ とすることで、$g_{BL}/m_{Z'} \leq 1/(7\,\text{TeV})$ のLEP制約を満たす。