[논문 리뷰] Implications of right-handed neutrinos with electroweak-scale masses

P. Q. Hung|ArXiv.org|2007. 06. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 13인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전자약 스케일(M_R ~ 90–246 GeV)에서 오른쪽 수천자(ν_R)를 갖는 seesaw 메커니즘을 제안하며, 여기서 ν_R는 SU(2)_L 단일체가 아니라 이중체로 변환되어 전자약 대칭을 갖는다. 이에 따라 ν_R는 전자약으로 충전되어 있으며, 충돌기에서 직접 생성 가능하다. 무색 모델과는 달리, 이러한 ν_R 상태는 W± 보손 교환를 통해 렙톤 수량 위반 과정을 매개하며, 라이언-하드 콜라이더(LHC)와 ILC에서 직접 실험적으로 탐지 가능하다.

ABSTRACT

The possibility of constructing a model in which right-handed neutrinos have electroweak-scale masses as well as being {\em non-sterile} was espoused in Ref. 1. In this talk, I will review the ideas and results of Ref. 1 and discuss its implications for colliders such as the Tevatron, LHC and ILC.

연구 동기 및 목표

• 표준 seesaw 메커니즘에서 무거운 무색 ν_R를 사용하는 것과 대비하여, 전자약 스케일 질량을 갖는 오른쪽 수천자가 표준 모형의 대안으로 타당한지 탐색하는 것.
• ν_R가 너무 무거워 직접 생성될 수 없을 경우 렙톤 수량 위반과 수천자 성질을 탐지하는 데 도전하는 문제를 해결하는 것.
• 같은 전하의 이중 렙톤 사건과 부족 에너지와 같은 충돌기 서명을 통해 오른쪽 수천자 영역에 대한 실험적 접근 가능성을 보장하는 것.
• ν_R가 표준 모형 단일체가 아니며, Z 및 W 보손과 결합하여 충돌기에서 직접 생성 및 붕괴가 가능한 모델을 구축하는 것.

제안 방법

• 오른쪽 수천자를 SU(2)_L 이중체로 도입함으로써(l_R^M = (ν_R, e_R^M)^T), 표준 모형 단일체로서의 성격을 상실시키고 Z 및 W 보손과의 결합을 허용한다.
• 메이저라 질량 항(ℒ_M = M_R ν_R^T σ_2 ν_R)과 디락 질량 항(ℒ_D = g_L l_L^† φ ν_R + H.c.)을 포함하는 seesaw 메커니즘을 구현하며, M_R는 전자약 스케일에 맞추어 조정된다.
• 4×4 수천자 질량 행렬의 대각화를 통해 질량 고유상태와 혼합을 유도하며, 가장 가벼운 고유상태가 관측된 수천자 질량(~eV 규모)과 일치하도록 보장한다.
• Z 보손 융합(q + q̄ → Z → ν_R + ν_R)을 통한 ν_R 쌍 생성 단면적을 계산하며, 단일체가 아니므로 억제되지 않은 생산이 가능하다.
• ν_R → l_R^M ± + W∓ 등의 붕괴 채널을 분석하여, ν_R ν_R → l_L^∓ l_L^∓ + W± W± + 부족 에너지(ϕ_S)와 같은 렙톤 수량 위반 과정을 가능하게 한다.
• 충돌기 서명을 평가하며, 수명이 긴 거울 페르미온에 의한 이격된 정점과 배경의 억제(O(α_W²)로 신호 진폭보다 작아서)를 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자약 스케일 질량을 갖는 오른쪽 수천자가 비무색이면서도, seesaw 메커니즘을 통해 관측된 작은 수천자 질량을 재현할 수 있는가?
• RQ2 표준 모형 단일체가 아닌 SU(2)_L 이중체인 전자약 스케일 ν_R의 충돌기 서명은 무엇인가?
• RQ3 전자약 스케일 ν_R의 붕괴로 인해 라이언-하드 콜라이더 또는 ILC에서 렙톤 수량 위반 과정(예: 같은 전하의 이중 렙톤)을 관측할 수 있는가?
• RQ4 ν_R가 비단일체일 경우, 무색 ν_R 모델과 비교해 생산 및 붕괴 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 진공 안정성과 스칼라 영역 질량이 이 모델의 페르미온 질량에 어떤 제약을 둔다?

주요 결과

• M_Z/2 < M_R < Λ_EW 범위(즉, ~90–246 GeV)의 메이저라 질량을 갖는 오른쪽 수천자는 타당하며, GUT 스케일 질량이 필요하지 않다.
• SU(2)_L 이중체인 비무색 ν_R는 Z 및 W 보손과 직접 결합하여, q + q̄ → Z → ν_R + ν_R 경로를 통해 충돌기에서 억제되지 않은 쌍 생성이 가능하다.
• ν_R → l_R^M ± + W∓ 붕괴는 ν_R ν_R → l_L^∓ l_L^∓ + W± W± + 부족 에너지(ϕ_S)와 같은 렙톤 수량 위반 과정을 가능하게 하며, 특징적인 같은 전하의 이중 렙톤 서명을 생성한다.
• W±W±W∓W∓와 부족 에너지가 동반된 배경은 진폭에서 O(α_W²)로 억제되어 신호가 관측 가능할 수 있다.
• 양성자 거울 페르미온(l_R^M)은 표준 모형 렙톤과 부족 에너지(ϕ_S)로 붕괴할 수 있으며, 충돌기에서 추가적인 탐색 채널을 제공한다.
• 이 모델은 진공 안정성에 의해 삼중 스칼라 힉스(χ̃, ξ)의 질량과 페르미온 질량을 연결하여, 통합된 스칼라-페르미온 질량 스펙트럼을 제안한다.