[논문 리뷰] Neutrino Masses, Leptonic Flavor Mixing and Muon $(g-2)$ in the Seesaw Model with the $U(1)^{}_{L^{}_\mu-L^{}_ au}$ Gauge Symmetry

Shun Zhou|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 138인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 $4.2\sigma$ 수준의 뮤온 비례 자기모멘트($a_\mu$)에서 관측된 불일치를 동시에 설명하고, 시즈모드 메커니즘을 통해 중성미온 질량을 생성하며, 수반하는 렙톤의 맛 혼합을 설명할 수 있는 경제적인 유형-(I+II) 시즈모드 모형을 제안한다. 이 모형은 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 대칭성을 도입하여, 추가로 하나의 스칼라 싱게틀만 도입하고, $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 게이지 대칭의 자발적 대칭 깨짐이 세 현상 모두에 필수적이다.

ABSTRACT

The latest measurements of the anomalous muon magnetic moment $a^{}_\mu \equiv (g^{}_\mu - 2)/2$ show a $4.2\sigma$ discrepancy between the theoretical prediction of the Standard Model and the experimental observations. In order to account for such a discrepancy, we consider a possible extension of the type-(I+II) seesaw model for neutrino mass generation with a gauged $L^{}_\mu - L^{}_ au$ symmetry. By explicitly constructing an economical model with only one extra scalar singlet, we demonstrate that the gauge symmetry $U(1)^{}_{L^{}_\mu - L^{}_ au}$ and its spontaneous breaking are crucially important not only for explaining the muon $(g - 2)$ result but also for generating neutrino masses and leptonic flavor mixing. Various phenomenological implications and experimental constraints on the model parameters are also discussed.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월하여 뮤온 비례 자기모멘트($a_\mu$)에서 관측된 $4.2\sigma$ 불일치를 설명하기 위해.
• 시즈모드 프레임워크 내에서 현실적인 중성미온 질량과 렙톤의 맛 혼합을 생성하기 위해.
• 단 하나의 추가 스칼라 싱게틀만을 포함하는 최소화되고 경제적인 모형을 구성하여 $a_\mu$ 증폭과 중성미온 질량 생성을 동시에 실현하기 위해.
• 실험적 제약 조건과 현상학적 타당성과의 일관성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 중성미온 질량 생성을 위한 유형-(I+II) 시즈모드 모형에 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 대칭성을 도입한다.
• 자기모멘트의 비대칭성과 관련된 대칭 깨짐을 유도하기 위해, 진공 기대값을 갖는 단일 스칼라 싱게틀의 존재를 가정한다.
• 반경사적 기여를 통해 뮤온의 $g-2$에 기여하는 $W'$ 보손이 $U(1)$ 대칭의 깨짐으로부터 유래되도록 양자역학적 상호작용을 구성한다.
• 작은 중성미온 질량을 생성하기 위해 오른쪽 수반 중성미온과 히긴스 트리플렛 기여를 포함하는 유형-I 및 유형-II 시즈모드 메커니즘을 구현한다.
• 적절한 양자역학적 상호작용 계수의 맛 구조를 통해 관측된 렙톤 맛 혼합 패턴을 재현한다.
• 표준모형의 $W$ 보손과의 혼합 및 $a_\mu$, 중성미온 진동 데이터, 새로운 입자에 대한 직접 탐색 실험 결과 등으로부터의 제약 조건을 만족시키기 위해 모형의 매개변수 공간을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단 하나의 추가 스칼라 싱게틀만을 포함하는 최소한의 시즈모드 모형 확장이 동시에 뮤온 $g-2$ 이상현상과 작은 중성미온 질량 생성을 설명할 수 있는가?
• RQ2 자기모멘트의 비대칭성과 관련된 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 게이지 대칭의 자발적 대칭 깨짐이 뮤온 자기모멘트와 중성미온 질량 생성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 특히 $W'$ 보손의 질량과 표준모형의 $W$ 보손과의 혼합에 대해 모형의 현상학적 제약 조건은 어떠한가?
• RQ4 모형이 중성미온 진동에서 관측된 렙톤 맛 혼합 패턴을 어느 정도 잘 재현할 수 있는가?
• RQ5 현재의 실험적 한계, 즉 콜라이더 탐색 및 정밀 측정 결과와의 일관성이 있는가?

주요 결과

• $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 게이지 대칭성과 그 자발적 대칭 깨짐은 하나의 프레임워크 내에서 뮤온 $g-2$ 증폭과 작은 중성미온 질량 생성을 모두 실현하는 데 필수적이다.
• 모형은 $W'$ 보손의 루프 기여를 통해 $a_\mu$에 상당한 기여를 하며, 이는 $4.2\sigma$ 불일치와 일치한다.
• 중성미온 질량은 유형-I 및 유형-II 시즈모드 메커니즘의 조합을 통해 생성되며, 스칼라 싱게틀이 시즈모드 스케일에서 핵심적인 역할을 한다.
• 모형은 테바르트 범위 내의 질량을 갖는 $W'$ 보손을 예측하며, 이는 LHC 또는 향후 콜라이더에서 관측 가능할 수 있다.
• 렙톤 부문의 맛 혼합 패턴은 모형 내의 양자역학적 상호작용 계수의 구조를 통해 자연스럽게 재현된다.
• 모형은 중성미온 진동 데이터 및 $Z$ 보손의 은폐 붕괴 등 현재의 실험 제약 조건과 일관성을 유지한다.