[論文レビュー] Three-Loop Neutrino Mass Models at Colliders

Amine Ahriche, Kristian L. McDonald+1 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、小粒度のニュートリノ質量と、軽い右巻きニュートリノを介したダークマター候補を同時に説明する三ループニュートリノ質量モデルのクラスを提案する。このモデルは、レプトンflavor違反およびミュオン異常磁気モーメントの制約と整合的であり、LHCおよびILCにおける特徴的な署名（エネルギー欠損を伴う同フラバーまたは異フラバーのレプトン対）を予測する。125 GeVのヒッグス粒子質量下で発見可能性が高く、ILCでは偏光ビームを用いた150 fb⁻¹の統合光度で検出可能である。

ABSTRACT

In this work, we report on recent analyses of a class of models that generate neutrino mass at the three-loop level. We argue that these models offer a viable solution to both the neutrino mass and dark matter problems, without being in conflict with experimental constraints from, e.g. lepton flavor violating processes and the muon anomalous magnetic moment. Furthermore, we describe observable experimental signals predicted by the models and show that they have common signatures that can be probed at both the LHC and ILC.

研究の動機と目的

• 木構造のカップリングを伴わない小粒度ニュートリノ質量を説明する、標準模型の妥当な拡張を構築すること。
• モデル内での安定で軽い右巻きニュートリノをダークマター候補として同定すること。
• レプトンflavor違反（例：μ→eγ）およびミュオン異常磁気モーメントに関する厳密な実験的制約と整合すること。
• 現在および将来のデータでモデルを検証可能なLHCおよびILCにおける観測可能なコライダーのシグネチャを同定すること。
• 125 GeVのヒッグス質量下で強発散的電弱相転移が可能であることを示し、バリオジェネシスを支持すること。

提案手法

• 標準模型に三つの右巻きメジャナナニュートリノと二つの電荷付きシングレットスカラーを追加し、木構造のニュートリノ質量を禁止するとともに、最も軽い中性フェルミオンを安定化させるためのZ₂対称性を保持する。
• ニュートリノ質量は、ヤコビカップリング（fαβ, g_iα）、スカラー相互作用（λs）、およびループ積分（F）を含む三ループ図により生成され、電磁的抑制された質量行列が電磁レプトンおよび右巻きニュートリノ質量に比例して得られる。
• レプトンflavor違反過程（例：μ→eγ）およびミュオン異常磁気モーメント（δaμ）は、電荷付きスカラーおよび多重項の交換を用いた一ループレベルで計算され、ループ関数F₂(x)を含む解析的式で表される。
• コライダーのシグネチャは、CalcHEPを用いてILC（250–1000 GeVの中心系エネルギー）およびLHC（8–14 TeV）でシミュレートされ、e⁻e⁺→e⁻μ⁺+Emissおよびpp→e⁻e⁺+Emissなどのイベント生成が運動的カットを適用して行われる。
• 信号の有意性は統合光度の関数として評価され、偏光ビーム（P(e⁻,e⁺) = [-0.8,+0.3] または [+0.8,-0.3]）が感度を向上させる。
• パラメータ空間は、μ→eγの分岐比、δaμ、ニュートリノ振動データ（s₁₂², s₂₃², s₁₃²）の制約下でスキャンされ、シミュレーション用のベンチマークポイントが選定される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三ループニュートリノ質量モデルは、LFV制約に違反せずに、小粒度ニュートリノ質量と妥当なダークマター候補を同時に説明できるか？
• RQ2 LHCおよびILCにおけるこのようなモデルの検出可能なコライダーのシグネチャは何か、特にエネルギー欠損と同フラバーまたは異フラバーのレプトン対を伴う過程においては？
• RQ3 125 GeVのヒッグス質量下で、強発散的電弱相転移が可能か、バリオジェネシスに寄与するか？
• RQ4 ILCで5σの信号を観測するには、ビーム偏光ありおよびなしの場合にそれぞれどの程度の光度が必要か？
• RQ5 LHC8データから得られるM_S₁の下限は何か？また、LHC14で信号を観測可能か？

主な発見

• パラメータf_eμ = -(4.97+i1.41)×10⁻²、f_eτ = 0.106+i0.0859、f_μτ = (3.04−i4.72)×10⁻⁶、および3×3行列から得られるg_iαを有するKNTモデル（n=0）は、振動データと整合する妥当なニュートリノ質量行列を生成する。
• モデルはB(μ→eγ)およびδaμの実験的制約を満たしており、ミュオン異常磁気モーメントの寄与はδaμ = -m_μ²/(16π²) × [Σ|f_μα|²/(6M_S₁²) + nΣ|g_iμ|²F₂(M_Ei²/M_T²)/M_T²] で与えられる。
• ILCでは、250 GeVで偏光ビーム（P = [-0.8,+0.3]）を用いることで、150 fb⁻¹の光度で5σの発見が可能であるのに対し、偏光なしでは700 fb⁻¹が必要である。
• LHCでは、14 TeVで100 fb⁻¹の光度で信号を観測可能であり、LHC8データ（20.3 fb⁻¹）からM_S₁ > 780 GeVの下限が導かれる。
• モデルは125 GeVのヒッグス質量下で強発散的電弱相転移を予測し、バリオジェネシスを可能にする。また、h→γγの decay 率は変化するが、Brは標準模型に類似したままである。
• ILCでは偏光ビームを用いた150 fb⁻¹の光度で信号の有意性が5σを超える。一方、LHCでは14 TeVで100 fb⁻¹の光度でM_S₁ < 780 GeVの範囲で信号の有意性が5σに達する。