[논문 리뷰] Leptogenesis Constraints on $B-L$ breaking Higgs Boson in TeV Scale Seesaw Models

P. S. Bhupal Dev, Rabindra N. Mohapatra외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 44인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 테바 스케일의 타입-I 시즈모델에서 B-L 대칭 깨짐을 겪는 힉스 보손이 우주론적 제약 조건에 미치는 영향을 조사하며, 이 보손이 무거운 메이조라나 중성자와의 상호작용으로 인해 비대칭성 생성 과정 중 렙톤 비대칭성이 상당히 감소함을 보여준다. 효과적 장 이론과 글로벌/로컬 U(1)_{B-L} 시나리오를 사용하여, 특히 무거운 중성자보다 가벼운 경우에, 스칼라의 질량과 결합 상수에 대한 엄격한 제약 조건을 유도한다. 이는 LHC에서의 충돌기 실험에 대한 함의를 지닌다.

ABSTRACT

In the type-I seesaw mechanism for neutrino masses, there exists a $B-L$ symmetry, whose breaking leads to the lepton number violating mass of the heavy Majorana neutrinos. This would imply the existence of a new neutral scalar associated with the $B-L$ symmetry breaking, analogous to the Higgs boson of the Standard Model. If in such models, the heavy neutrino decays are also responsible for the observed baryon asymmetry of the universe via the leptogenesis mechanism, the new seesaw scalar interactions with the heavy neutrinos will induce additional dilution terms for the heavy neutrino and lepton number densities. We make a detailed study of this dilution effect on the lepton asymmetry in three generic classes of seesaw models with TeV-scale $B-L$ symmetry breaking, namely, in an effective theory framework and in scenarios with global or local $U(1)_{B-L}$ symmetry. We find that requiring successful leptogenesis imposes stringent constraints on the mass and couplings of the new scalar in all three cases, especially when it is lighter than the heavy neutrinos. We also discuss the implications of these new constraints and prospects of testing leptogenesis in presence of seesaw scalars at colliders.

연구 동기 및 목표

• 테바 스케일의 시즈모델에서 B-L 깨짐 힉스 보손이 렙톤 비대칭성 생성에 어떻게 영향을 미치는지 조사하는 것.
• 세 가지 유형의 모델인 EFT, 글로벌 U(1)_{B-L}, 로컬 U(1)_{B-L}에서 성공적인 렙톤 비대칭성 생성 조건을 바탕으로 새로운 스칼라의 질량과 결합 상수에 대한 제약 조건을 도출하는 것.
• 레프토제네시스 기간 동안 시즈모 모델 스칼라가 렙톤 수 밀도에 미치는 감소 및 소거 효과를 분석하는 것.
• LHC 및 향후 하드론 충돌기에서 이러한 제약 조건의 탐지 가능성 평가.
• 렙톤 비대칭성 메커니즘의 세부 사항에 영향을 받지 않는 모델 독립적 제약 조건을 제공하는 것.

제안 방법

• 무거운 메이조라나 중성자와의 상호작용을 포함하는 B-L 대칭 깨짐에 대한 효과적 장 이론(EFT) 프레임워크 수립.
• 무거운 중성자 및 렙톤 수와의 상호작용을 포함한 볼츠만 방정식을 사용하여 렙톤 비대칭성의 감소 및 소거 효과 분석.
• 새로운 스칼라의 붕괴 및 역반응 기여를 포함한 렙톤 수 밀도 및 무거운 중성자 수 밀도의 볼츠만 방정식 유도.
• 스칼라가 무거운 중성자와 상호작용하는 경우의 붕괴 및 역붕괴 비율 계산, 위상공간 및 열평균 고려.
• 볼츠만 방정식 해를 통해 스칼라가 최종 렙톤 비대칭성에 미치는 영향 평가 및 감소 요인의 명시적 표현 도출.
• 세 가지 모델 유형(EFT, 글로벌 U(1)_{B-L} (싱เก트 메이조론 모델), 로컬 U(1)_{B-L} (게이지 모델))에 적용하여 모든 모델 간 제약 조건 비교.
• RHN과 게이지 보손(예: $Z_R$)으로의 스칼라 붕괴에 대한 부분 폭을 유도하여 운동역학적 제약 조건과 충돌기 서명 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 B-L 깨짐 힉스 보손이 존재할 경우, 테바 스케일의 시즈모델에서 렙톤 비대칭성이 렙톤 생성 과정에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 성공적인 렙톤 비대칭성 생성 조건을 만족하기 위해 요구되는 모델 독립적 제약 조건은 B-L 스칼라의 질량과 결합 상수에 대해 무엇인가?
• RQ3 EFT, 글로벌 U(1)_{B-L}, 로컬 U(1)_{B-L} 시나리오 간 시즈모 스칼라에 의한 감소 및 소거 효과는 어떻게 다를까?
• RQ4 스칼라에 의한 감소 효과가 우세해지는 조건은 언제이며, LHC에서 어떻게 탐지 가능할 수 있는가?
• RQ5 B-L 스칼라의 충돌기 서명은 무엇이며, 렙톤 비대칭성 성공 조건과 어떻게 연관되는가?

주요 결과

• B-L 스칼라에 의한 렙톤 비대칭성 감소는 그 질량과 결합 상수에 대해 엄격한 제약 조건을 부과하며, 특히 무거운 메이조라나 중성자보다 가벼운 경우 더욱 뚜렷하다.
• 모든 세 가지 모델 유형(EFT, 글로벌 U(1)_{B-L}, 로컬 U(1)_{B-L})에서 성공적인 렙톤 비대칭성 생성을 위해서는 B-L 스칼라의 결합 상수가 충분히 작거나 질량이 충분히 크지 않으면 과도한 소거가 발생하므로 이를 방지해야 한다.
• 로컬 U(1)_{B-L} 모델의 경우, 스칼라의 $Z_R$ 보손과의 결합 및 $Z_R Z_R$로의 붕괴 폭은 운동역학적 임계값과 부분 폭 계산에 의해 제약을 받는다.
• $H_3 \to Z_R Z_R$의 부분 폭은 위상공간 억제와 임계값 의존성으로 유도되며, $\theta(m_{H_3} - 2m_{Z_R})$는 운동역학적 타당성을 보장한다.
• 스칼라가 두 개의 RHN으로 붕괴되는 것은 폭 표현식 $\frac{m_{H_3}^3}{64\tau v_R^2} \times \text{phase space}$ 에 의해 지배되며, 실체적 붕괴 조건이 필요하다.
• LHC, 특히 고광도 모드에서는 RHN 쌍 생성과 관련된 스칼라 서명을 직접 탐지할 수 있으며, 이는 렙톤 비대칭성 제약 조건의 시험장이 된다.