[論文レビュー] Type II Dirac Seesaw with Observable $ΔN_{ m eff}$ in the light of W-mass Anomaly

Debasish Borah, Satyabrata Mahapatra+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2022

Algebraic and Geometric Analysis被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、実スカラー三重項を伴うタイプIIディラック・シー・スイッチモデルを提案し、木レベルでCDFが観測したWボソン質量の異常を同時に説明するとともに、軽いディラックニュートリノ質量を生成する。このモデルは、熱的または非熱的生成による右巻きニュートリノに起因する有効な相対論的自由度の増加（$ abla N_{\rm eff}$）を予測しており、将来的な宇宙論的実験で観測可能である可能性がある。

ABSTRACT

We propose a type II seesaw model for light Dirac neutrinos to provide an explanation for the recently reported anomaly in W boson mass by the CDF collaboration with $7σ$ statistical significance. In the minimal model, the required enhancement in W boson mass is obtained at tree level due to the vacuum expectation value of a real scalar triplet, which also plays a role in generating light Dirac neutrino mass. Depending upon the couplings and masses of newly introduced particles, we can have thermally or non-thermally generated relativistic degrees of freedom $ΔN_{ m eff}$ in the form of right handed neutrinos which can be observed at future cosmology experiments. Extending the model to a radiative Dirac seesaw scenario can also accommodate dark matter and lepton anomalous magnetic moment.

研究の動機と目的

• CDF共同研究が測定したWボソン質量の7σのずれを、標準模型を越えるメカニズムで説明すること。
• 実スカラー三重項が木レベルでニュートリノ質量生成とWボソン質量の増大の両方を媒介する最小限のディラック・シー・スイッチモデルを構築すること。
• 熱的または非熱的生成によって生じる右巻きニュートリノに起因する追加の相対論的自由度（$\\Delta N_{\\rm eff}$）の宇宙論的影響を調査すること。
• ダークマターと軽レプトンの異常磁気モーメントを同時に扱える放射的シー・スイッチのスケーリングにモデルを拡張すること。
• SおよびTパラメータを含む電弱精度観測量との整合性を評価し、$\theta_W$ 測定との緊張を軽減すること。

提案手法

• 実スカラー三重項$\Omega$を導入し、その真空期待値（VEV）が木レベルでWボソン質量に寄与することで、CDFの異常を解消する。
• 木レベルのメジャナラ質量項を禁止し、レプトン数保存を保つために、ソフトに破壊された$Z_2$対称性を導入する。
• ベクトル型フェルミオン二重項$\Psi$とヤコビ係数を用いて、次元6の演算子を通じたタイプIIシー・スイッチ機構を実現し、軽いディラックニュートリノ質量を生成する。
• 結合定数と質量に依存する熱的および非熱的生成メカニズムを考慮し、右巻きニュートリノに起因する有効な相対論的自由度$\Delta N_{\rm eff}$を計算する。
• 追加のスカラー二重項とフェルミオンシングレットを導入することで放射的シー・スイッチ機構を実現し、シングレット-ダブルレットのディラックフェルミオンとしてのダークマターと異常磁気モーメントの生成を可能にする。
• SおよびTパラメータの制約を用いてモデルの物性を評価し、電弱精度データおよびダークマターの直接検出限界と整合することを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実スカラー三重項を有するディラック・シー・スイッチモデルは、木レベルでCDFのWボソン質量異常を説明するとともに、軽いニュートリノ質量を生成できるか？
• RQ2 このモデルにおける右巻きニュートリノに起因する$\Delta N_{\rm eff}$の大きさと起源（熱的または非熱的）は何か？そして、将来的な宇宙背景放射実験で観測可能か？
• RQ3 放射的バージョンのモデルは、直接検出および残存密度制約と整合的であるシングレット-ダブルレットのディラックフェルミオンとしてのダークマターを実現できるか？
• RQ4 スカラー二重項と三重項がSおよびTパラメータに与える寄与は、CDFのWボソン質量異常とLEPによる$\theta_W$ 測定との間に生じる緊張をどのように緩和するか？
• RQ5 大きなヤコビ係数を用いることで、電子およびミューオンの異常磁気モーメントをモデルがどれほど説明できるか？その際、他の物性的制約に違反しないか？

主な発見

• 実スカラー三重項の真空期待値による木レベルのWボソン質量増大が実現され、CDFが測定した$M_W = 80433.5 \pm 9.4$ MeVと整合的である。
• ベクトル型フェルミオン二重項に由来する右巻きニュートリノは、熱的または非熱的生成によって$\Delta N_{\rm eff}$を生成でき、プランク2018データによる制約を受けるが、将来的なCMB実験で観測可能である可能性がある。
• Z_2奇数フェルミオンのループによるSパラメータとTパラメータへの寄与は、それぞれ$\mathcal{O}(10^{-4})$および$\mathcal{O}(10^{-7})$程度であり、電弱精度データと整合的である。
• 放射的シー・スイッチ拡張においてスカラー二重項とフェルミオンシングレットを導入することで、質量が数100 GeV未満の有効なシングレット-ダブルレットのディラックフェルミオンとしてのダークマター候補が得られ、観測された残存密度と整合的である。
• ヤコビ係数を1に近い値にすることで、電子およびミューオンの異常磁気モーメントを生成可能であり、直接検出や$g-2$測定と整合的である。
• 三重項（木レベル）とスカラー二重項（1ループ）の両方がTパラメータに寄与することで、CDFのWボソン質量異常とLEPによる$\theta_W$ 測定との間に生じる緊張を軽減し、より一貫性のある電弱適合を実現できる。