[論文レビュー] Verifiable type-II seesaw and dark matter in a gauged $U(1)_{B-L}$ model

Satyabrata Mahapatra, Nimmala Narendra+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、TeVスケールにおけるタイプ-IIシークワッドメカニズムのゲージ化された $U(1)_{B-L}$ 拡張を提案する。ここで、軽いスカラートリプレット ($\xi$) が重いトリプレット ($\Delta$) と小さな混合を介してニュートリノ質量を媒介し、コライダーでの探査が可能になる。モデルは、$U(1)_{B-L}$ の対称性の破れに伴い残る $Z_2$ 対称性によって、最も軽い右巻きニュートリノをダークマター候補として安定化させ、リリック密度と直接検出制約をうまく満たす。また、$B-L$ 電荷が $-4, -4, +5$ の3つの右巻きニュートリノによって、ゲージおよび重力異常をキャンセルする。主な貢献は、TeVスケールで小さなニュートリノ質量と実証可能なダークマターを統合する、検証可能で異常フリーなフレームワークの構築である。

ABSTRACT

We propose a gauged $U(1)_{B-L}$ extension of the standard model (SM) to explain simultaneously the light neutrino masses and dark matter (DM). The generation of neutrino masses occurs through a variant of type-II seesaw mechanism in which one of the scalar triplets lies at the TeV scale yet have a large dilepton coupling, which paves a path for probing this model at colliders. The gauging of $U(1)_{B-L}$ symmetry in a type-II seesaw framework introduces $B-L$ anomalies. Therefore we invoke three right handed neutrinos $ν_{R_{i}}$(i=1,2,3) with $B-L$ charges -4,-4,+5 to cancel the anomalies. We further show that the lightest one among the three right handed neutrinos can be a viable DM candidate. The stability of DM can be owed to a remnant $Z_2$ symmetry under which the right handed neutrinos are odd while all other particles are even. We then discuss the constraints on the model parameters from observed DM abundance and the search at direct detection experiments.

研究の動機と目的

• ニュートリノ質量生成における階層問題を解消するため、$10^{14}$ GeV スケールの物理学を必要としない、TeVスケールでのタイプ-IIシークワッドの実現。
• ゲージおよび重力異常をキャンセルする3つの右巻きニュートリノ（$B-L$ 電荷 $-4, -4, +5$）を用いて、$[U(1)_{B-L}]^3$ および $[Grav.]^2 \times [U(1)_{B-L}]$ 異常をキャンセルする、$U(1)_{B-L}$ 拡張の異常フリーな標準模型（SM）の構築。
• 右巻きニュートリノのうち最も軽いものが、$U(1)_{B-L}$ の対称性の破れ後に残る $Z_2$ 対称性によって安定化され、有効なダークマター候補として特定可能である。
• モデルが宇宙論的ダークマターのリリック密度と直接検出制約と両立可能であることを保証する。
• 同じ符号の二重レプトン最終状態からの $\xi^{\pm\pm}$ の崩壊を通じて、コライダーで観測可能なシグナチャーを提供し、モデルの反証可能性を高める。

提案手法

• 2つのスカラートリプレットを導入：重い $B-L$ 電荷付きトリプレット $\Delta$（$M_\Delta \sim 10^{14}$ GeV）と軽い $B-L$ 電荷付きトリプレット $\xi$（$M_\xi \leq$ 1 TeV）、かつ $M_\xi \ll M_\Delta$。
• $U(1)_{B-L}$ ゲージ対称性の破れを、TeVスケールで真空期待値をとるシングレットスカラー $\Phi_{B-L}$ を介して実現。これにより、$\Delta$ と $\xi$ 間の小さな混合 $\theta \sim \langle \Phi_{B-L} \rangle^2 / M_\Delta^2 \sim 10^{-18}$ が生成される。
• $[U(1)_{B-L}]^3$ および $[Grav.]^2 \times [U(1)_{B-L}]$ 異常をキャンセルするため、$B-L$ 電荷が $-4, -4, +5$ の3つの右巻きニュートリノ $\nu_{R_i}$ を導入。
• $\nu_{R_i}$ が奇数、他のすべての場が偶数となる残余 $Z_2$ 対称性を仮定し、最も軽い $\nu_{R_i}$ をダークマター候補として安定化。
• 有効演算子 $\mathcal{O}_5 = \frac{LLHH}{\Lambda}$ を介してニュートリノ質量行列を導出。ここで $\Lambda \sim M_\Delta$ であり、$M_\nu \sim f \langle \Delta \rangle \sim f \frac{\langle H \rangle^2}{M_\Delta}$ となる。
• $s$ チャネルの散乱（$WW$, $ZZ$, $\gamma\gamma$, $gg$, $h\gamma$ 終状態）を通じて、最も軽い右巻きニュートリノのリリック密度を計算し、PLANCKの制約と比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲージ化された $U(1)_{B-L}$ モデルにおいて、異常フリーを保ちつつ、TeVスケールでタイプ-IIシークワッドメカニズムを実現できるか。
• RQ2 追加の離散的対称性を課さずに、モデル内の最も軽い右巻きニュートリノが安定なダークマター候補として機能できるか。
• RQ3 二重電荷をもつスカラー $\xi^{\pm\pm}$ のコライダーにおけるシグナチャーは何か。また、標準模型（SM）のバックグラウンドと区別可能か。
• RQ4 観測されたダークマターのリリック密度と直接検出制約の両方をどの程度満たせるか。
• RQ5 重い $\Delta$ トリプレットが存在するにもかかわらず、TeVスケールのスカラートリプレットによる小さなニュートリノ質量が、大きな二重レプトン結合を介して生成可能か。

主な発見

• 重い $\Delta$ トリプレット（$M_\Delta \sim 10^{14}$ GeV）と軽い $\xi$ トリプレット（$M_\xi \leq$ 1 TeV）の間の小さな混合（$\langle \Phi_{B-L} \rangle \sim$ TeV に起因）により、TeVスケールで検証可能なタイプ-IIシークワッドが実現される。
• 最も軽い右巻きニュートリノ（$B-L$ 電荷 $-4$）は、残余 $Z_2$ 対称性によって安定化され、観測された値 $\Omega_{\rm DM}h^2 = 0.120 \pm 0.001$（PLANCK）と一致するリリック密度を示す、有効なダークマター候補である。
• $\xi^{\pm\pm}$ ボソンは、$u_\xi$ が小さい場合、主に同じ符号の二重レプトン（$l^+l^+$）に崩壊する。パラメータ空間の大部分で、$R = \Gamma(\xi^{\pm\pm} \to l^+l^+) / \Gamma(\xi^{\pm\pm} \to W^+W^+)$ が1を超えるため、ほぼバックグラウンドフリーなコライダーのシグナチャーとなる。
• スピン非依存散乱断面積が、ほとんどの有効なパラメータ空間で現在の XENON1T の制約を下回るため、直接検出制約を満たしている。
• $B-L$ 異常キャンセリングは、$B-L$ 電荷が $-4, -4, +5$ の3つの右巻きニュートリノを導入することで達成され、理論が $[U(1)_{B-L}]^3$ および $[Grav.]^2 \times [U(1)_{B-L}]$ 異常を含まないことを保証する。
• $\xi^{\pm\pm}$ のDrell-Yan過程によるLHCでの生成と、その後の同じ符号の二重レプトンへの崩壊は、大型ハドロンコライダー（LHC）でテスト可能なクリアで発見可能なシグナチャーを提供する。