[論文レビュー] Scotogenic R uMDM at Three-Loop Level

Petar Čuljak, Krešimir Kumerički+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 27被引用数 21

ひとこと要約

本稿では、2HDMフレームワーク内でのフェルミオン五重項とスカラー七重項の相互作用によってニュートリノ質量が生じる三ループ放射型ニュートリノ質量モデル（RνMDM）を提案する。このモデルは、主要な中性子ニュートリノ質量の小さな値を自然に説明する。モデルは、フェルミオン五重項のメジャノア型状態が暗黒物質候補として安定化されるように、偶然的なZ₂対称性を実現する。LHCでは、450 GeV未満の質量範囲で、モノジェット探索によって暗黒物質粒子を発見可能である可能性がある。

ABSTRACT

We propose a model in which the radiative neutrino (Rν) masses are induced by fermion quintuplet and scalar septuplet fields from the minimal-dark-matter (MDM) setup. In conjunction with the 2HDM fields, on top of which our model is built, these hypercharge zero fields and additional scalar quintuplet lead to an accidental DM-protecting Z_2 symmetry and establish the R uMDM model at the three-loop level. We assess the potential for discovery of quintuplet fermions on present and future pp colliders.

研究の動機と目的

• 三ループレベルでの放射型ニュートリノ質量モデルを構築し、ニュートリノ質量の小ささを自然に説明すること。
• 追加のZ₂対称性を強制的に導入することなく、場の内容とSMゲージ構造から生じる偶然的Z₂対称性に依存して暗黒物質候補を安定化させること。
• より高い弱い多重項（フェルミオン五重項とスカラー七重項）を組み込むことで、最小暗黒物質（MDM）フレームワークを拡張し、三ループでのニュートリノ質量生成を達成すること。
• LHCにおける特異的五重項状態の物性的妥当性と発見可能性を評価すること、特にモノジェットのシグナルに注目して。
• 従来のモデルで見られるZ₂対称性の破れ問題を解決するため、より高い多重項に軽い場を置き換えることで、高次元オペレーターによって対称性を保存する方法を採用すること。

提案手法

• ニュートリノ質量生成のためのコアメカニズムとして、Aoki, Kanemura, および Seto（AKS）が提唱した三ループトポロジーを採用する。
• フェルミオン五重項Σ∼(5,0)とスカラー七重項χ∼(7,0)を主たる新規場として導入し、両者とも電弱ハイパーチャージがゼロのSMゲージ群に従属する。
• 2HDM（二重ヒッグスダブルレットモデル）セクターを導入し、必要なヤコビ係数カップリングを提供するとともに、三ループでのニュートリノ質量図を生成する。
• すべての関連する相互作用がZ₂偶性であるように、特異的場に適切な量子数を割り当てることでZ₂対称性を保持し、DMの崩壊を防止する。
• 高エネルギースケールΛによって抑制される、(H₁H₂*)³χ/Λ³のような次元7のオペレーターを含む有効ラグランジアンを構築し、ダブルレット-七重項混合を媒介する。
• モノジェット探索戦略を用いてLHCの物性的特徴を分析し、主にメジャノア五重項DM候補の生成と崩壊に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミオン五重項とスカラー七重項を用いた三ループ放射型ニュートリノ質量モデルは、追加のZ₂対称性を強制的に導入することなく構築可能か？
• RQ2 軽いスカラー多重項の代わりにスカラー七重項を導入することで、暗黒物質候補の安定性とZ₂対称性の構造にどのような影響を与えるか？
• RQ3 LHCにおける特異的フェルミオン五重項およびスカラー七重項状態の主なシグナルは何か。特にモノジェットおよびヒッグス崩壊チャネルに注目して。
• RQ4 このモデルにおける暗黒物質候補は、ハイリタニティLHCでどの程度発見可能か。また、どの質量範囲が利用可能か？
• RQ5 対称性保護と物性的検証可能性の観点から、従来の三ループニュートリノ質量モデルと比較して、本モデルはどのように異なるか？

主な発見

• 本モデルは、AKSトポロジーを用いた三ループ放射型ニュートリノ質量機構を実現し、フェルミオン五重項Σ∼(5,0)とスカラー七重項χ∼(7,0)が主な媒介場として機能する。
• ニュートリノ質量を保護するZ₂対称性は、SMゲージ構造と高次多重項の量子数から生じる偶然的対称性であり、追加の人工的対称性を必要としない。
• スカラー七重項の導入により、従来のモデルに見られる危険なZ₂破れ項を回避し、ΦとHを含むすべての関連する四次相互作用が、七重項の使用によってZ₂偶性を保つ。
• メジャノアフェルミオン五重項は、スカラー七重項の電気的に中性な成分が本質的カップリングによって不安定化されるため、唯一の安定な暗黒物質候補として残存する。
• 質量が450 GeV未満の暗黒物質候補は、ハイリタニティLHCにおけるモノジェット探索によって発見可能であり、標準模型背景と区別可能なシグナルが得られる可能性がある。
• 本モデルは、宇宙論的暗黒物質候補を提供し、ループ抑制によるニュートリノ質量の小さな値を自然に説明しており、ニュートリノ質量と電弱スケールの間の12乗オーダーの階層と整合的である。