[논문 리뷰] GeV Seesaw, Accidentally Small Neutrino Masses, and Higgs Decays to Neutrinos

André de Gouvêa|ArXiv.org|2007. 06. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 중성미온의 질량이 양자역학적 상쇄 효과로 인해 '우연히 작다'는 가정을 제기하며, 이로 인해 기저의 우주 스케일에서의 오른쪽 수동 중성미온이 활성 중성미온과 상당한 혼합(최대 몇 퍼센트)을 이룰 수 있음을 보여준다. 만약 그렇다면, 130 GeV 이하의 힉스 보존은 활성 중성미온과 허위 중성미온으로 주로 붕괴할 수 있으며, 그 결과로는 레프톤, 제트, 그리고 부족 에너지 상태가 나타나며, 이는 LHC에서 관측 가능할 수 있다.

ABSTRACT

If the Standard Model particle content is extended by gauge singlet fermions (right-handed neutrinos), active neutrinos generically acquire (Majorana) masses, in agreement with our current understanding of the lepton sector. If the right-handed neutrino masses are of the same order as the electroweak symmetry breaking scale, it is usually expected that these will not mediate any experimentally observable effects. Here, I explore the fact that this is not necessarily the case. If neutrino masses are "accidentally small", active-sterile mixing angles can, according to current experimental bounds, be as large as several percent. If this is the case, I argue that the dominant decay mode of light (M_H less than 130 GeV) Higgs bosons could be into an active and a sterile neutrino. The sterile neutrino decays promptly into a charge lepton and an on- or off-shell W-boson, so that the dominant Higgs boson decay mode is H to leptons + jets + missing transverse energy.

연구 동기 및 목표

• 양자역학적 상쇄 효과로 인해 중성미온 질량이 우연히 작은 경우, 이에 따른 현상학적 결과를 탐색하기 위해.
• 기본적으로는 이러한 상태가 보이지 않는 것으로 여겨지는 전자약 스케일(1 GeV 범위) 근처의 오른쪽 수동 중성미온이 관측 가능한 효과를 유도할 수 있는지 조사하기 위해.
• 현재 중성미온 질량과 렙톤 편향 위반에 대한 실험 제약 조건을 고려할 때, 활성-허위 혼합 각도가 최대 몇 퍼센트까지 가능할 수 있는지 평가하기 위해.
• 130 GeV 이하의 힉스 보존이 활성-허위 중성미온 쌍으로 주로 붕괴할 수 있는지 가능성과 그에 따른 콜라이더 서명을 검토하기 위해.
• 만약 세이프 스케일이 전자약 스케일에 있고 중성미온 질량이 우연히 작다면, 힉스 물리학과 렙톤 수의 위반에 대한 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 일반적인 중성미온 질량 행렬을 사용한 타입-I 세이프 메커니즘: $ m_{\nu} = \begin{pmatrix} 0 & yv \\ (yv)^T & M \end{pmatrix} $, 여기서 $ y $ 는 요카다 상수, $ v = 246 $ GeV, $ M $ 은 오른쪽 수동 중성미온의 메이저라 마스터 행렬이다.
• 세이프 근사법을 적용하여 $ yvM^{-1} \ll 1 $ 이라고 가정함으로써, 경량 중성미온 질량 $ m_a \sim y^2 v^2 / M $ 과 활성-허위 혼합 각도 $ \Theta \sim yv / M $ 을 유도한다.
• 세이프 메커니즘에서 $ yvM^{-1} $ 항에서 상쇄 효과가 발생할 조건을 규명하여, $ m_a $ 가 우연히 작아지지만 $ \Theta $ 는 여전히 크기(약 3%) 유지되는 경우를 분석함.
• 활성-허위 혼합에 대한 실험 제약 조건을 평가하기 위해, 무중성미온 이중베타 붕괴, 렙톤 편향 위반, 그리고 중성 무거운 렙톤을 위한 LEP 검색 결과를 고려한다.
• H → ℓ + 제트 + E_T^miss 의 분해율을 계산하여 $ H \to \ell N \to \ell W^* \ell \ell $ 경로를 통해, $ M_H \lesssim 130 $ GeV 일 경우 표준모형의 $ H \to b\bar{b} $ 비율을 초과할 수 있음을 보여준다.
• 형태 대칭성과 수평 대칭성이 중성미온 질량의 우연한 작음을 설명하는 동역학적 메커니즘으로서의 역할을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 오른쪽 수동 중성미온 질량이 GeV 스케일이더라도 중성미온 질량이 우연히 작을 수 있으며, 이에 따라 활성-허위 혼합 각도가 크게 될 수 있는가?
• RQ2 GeV 스케일 오른쪽 수동 중성미온에 대해 활성-허위 혼합 각도에 대한 현상학적 제약 조건은 무엇이며, 몇 퍼센트 수준까지 도달할 수 있는가?
• RQ3 히iggs 보존이 활성 중성미온과 허위 중성미온으로 주로 붕괴할 수 있는 조건은 무엇이며, 그에 따른 콜라이더 서명은 어떻게 되는가?
• RQ4 이러한 시나리오가 경량 힉스 보존에 대해 $ H \to \ell + \text{jets} + E_T^\text{miss} $ 의 분해율이 표준모형의 $ H \to b\bar{b} $ 비율을 초과할 수 있는가?
• RQ5 렙톤 편향 위반, 무중성미온 이중베타 붕괴, LEP 검색 결과로부터의 제약 조건은 이 모델의 타당성을 어떻게 제한하는가?

주요 결과

• 상쇄 효과가 $ yvM^{-1} $ 항에서 발생할 경우, 중성미온 질량이 우연히 작아지며, 이로 인해 활성-허위 혼합 각도가 $ \Theta \sim 3\% $ 수준으로 크게 유지될 수 있다. 이는 $ m_a \sim 0.1 $ eV 이하일 때도 가능하다.
• 모델 매개변수에 따라 다를 수는 있으나, $ M_{ij} \gtrsim 1 $ GeV 일 경우 현재 실험 제약 조건으로부터 활성-허위 혼합 각도가 몇 퍼센트까지 허용된다.
• 활성-허위 혼합이 크고 오른쪽 수동 중성미온이 GeV 스케일일 경우, 힉스 보존의 $ \nu_a N_i $ 붕괴 너비는 $ M_H \lesssim 130 $ GeV 일 때 표준모형의 $ H \to b\bar{b} $ 붕괴 너비와 유사하거나 이를 초월할 수 있다.
• 그 결과로 주요 힉스 붕괴 모드는 $ H \to \ell + \text{jets} + E_T^\text{miss} $ 가 되며, 이는 $ N_i \to \ell W^{(*)} $ 의 붕괴에서 유래한 레프톤이 포함되어 있어 LHC에서 특징적인 서명이 된다.
• 이러한 시나리오는 렙톤 수의 위반을 야기하며, 희귀 붕괴와 부족 에너지 서명을 통해 테바트론과 LHC에서 탐지 가능하다.
• 중성미온 질량의 우연한 작음을 보호하는 숨겨진 수평 대칭성이 존재할 경우, 이 모델은 타당성이 유지된다. 이는 큰 기여를 억제하면서도 큰 혼합 각도를 허용한다.