[논문 리뷰] Neutrinophilic two Higgs doublet model with $U(1)$ global symmetry

Kingman Cheung, Hiroshi Okada외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 21인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 U(1) 전역 대칭성을 가진 중성미오피리닉 두 개의 힉스 두중체 모형을 제안하며, 이중 힉스 두중체의 진공 기대값(VEV)이 특이한 페르미온을 포함한 한 번의 고리 보정을 통해 매우 작게 얻어진다. 이 메커니즘은 정밀 조정이 필요한 양자수 상수를 요구하지 않고 자연스럽게 작은 활성 중성미오 질량을 생성하며, 향후 미래 원형 충돌기(FCC)에서 검출 가능한 기하학적 스케일의 비활성 중성미오를 예측하여, 중성미오 질량 생성과 표준모형을 초월한 물리학에 대한 검증 가능한 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

We propose a neutrinophilic two-Higgs-doublet model, where the vacuum expectation value (VEV) of the second Higgs doublet is only induced at one-loop level via several neutral fermions. Thus, the masses of active neutrinos arising from the Higgs doublets are naturally small via such a tiny VEV. We discuss various phenomenology of the model, including the neutrino masses and oscillations, bounds on non-unitarity, lepton-flavor violations, the oblique parameters, the muon anomalous magnetic moment, the GeV-scale sterile neutrino candidate arising from the tiny VEV, and collider signatures. We finally discuss the possibility of detecting the sterile neutrino suggested in the experiment of Future Circular Collider (FCC).

연구 동기 및 목표

• 정밀 조정이 필요한 양자수 상수에 의존하지 않고 활성 중성미오의 작은 질량을 설명하기 위해.
• 두 힉스 두중체 모형(THDM)을 U(1) 전역 대칭성과 특이한 페르미온을 도입하여, 한 번의 고리 효과를 통해 두 번째 힉스 두중체의 매우 작은 VEV를 생성하기 위해.
• 중성미오 진동, 렙톤-플레버 위반, 기울기 매개변수, 그리고 μ-자기모멘트(g−2)로부터의 현상학적 제약을 탐색하기 위해.
• 매우 작은 VEV에서 기인하는 유의미한 기하학적 스케일의 비활성 중성미오 후보를 식별하고, 향후 충돌기(예: FCC)에서의 검출 가능성 평가하기 위해.
• 비활성 중성미오가 기존의 케논 시즈 모형보다 훨씬 더 쉽게 검출 가능한, 20×20 혼합 행렬이 큰 특성을 가진 검증 가능한 모형을 제공하기 위해.

제안 방법

• 특이한 페르미온(디랙 및 메이저라 타입)과 스칼라 싱게터 필드를 도입하여 U(1) 전역 대칭성을 도입하고, 두 번째 힉스 두중체의 VEV를 고리 효과로 유도한다.
• 표준모형 유사 힉스 두중체(Φ₁), 관성 두중체(Φ₂), 그리고 특이한 페르미온을 포함하는 양자수 상호작용 라그랑지안을 설정하며, 두 번째 두중체의 VEV는 한 번의 고리 수준에서 생성된다.
• 특이한 페르미온을 포함한 한 번의 고리 피카르 다이어그램을 사용하여, Φ₂의 VEV인 v₂의 고리 유도 생성을 계산하고, 자연스럽게 작은 값이 되도록 보장한다.
• 중성미오 질량, 렙톤-플레버 위반 과정(예: μ→eγ), 기울기 매개변수(S, T, U), 그리고 μ-자기모멘트(g−2)에 대한 해석적 표현을 유도한다.
• 중성미오 진동 데이터, LFV 제약, 기울기 매개변수, g−2의 제약을 사용하여 타당한 매개변수 영역을 수치적으로 분석한다.
• LHC에서의 충돌기 서명과 FCC에서의 비활성 중성미오의 혼합 및 붕괴 모드를 통해 검출 가능성 평가를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 U(1) 대칭성을 가진 THDM의 확장에서, 특이한 페르미온의 고리 보정을 통해 두 번째 힉스 두중체의 매우 작은 진공 기대값이 자연스럽게 생성될 수 있는가?
• RQ2 모델이 중성미오 진동 데이터와 비단위성 제약을 충족시키며, 렙톤-플레버 위반과 기울기 매개변수 제약을 모두 만족하는가?
• RQ3 매우 작은 VEV에서 유도된 비활성 중성미오 상태의 질량과 혼합 패턴은 무엇이며, 향후 충돌기(FCC)에서 검출 가능할까?
• RQ4 모델이 측정된 μ-자기모멘트(g−2) 이상 현상과 다른 정밀 전자약 상호작용 관측치를 동시에 수용할 수 있는가?
• RQ5 큰 20×20 중성 페르미온 혼합 행렬은 기존의 케논 시즈 모형과 비교해 볼 때 비활성 중성미오의 현상학적 특성과 검출 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 두 번째 힉스 두중체의 진공 기대값(v₂)은 특이한 페르미온 고리의 영향을 받아 한 번의 고리 수준에서 생성되며, 자연스럽게 작은 값이 되어 활성 중성미오의 매우 작은 질량을 설명한다.
• 모델은 중성미오 진동 데이터, 렙톤-플레버 위반(예: μ→eγ), 기울기 매개변수(S, T, U), 그리고 μ-g−2 제약을 모두 충족하며, 후자는 음의 기여를 받는다. 이는 추가적인 조정이 필요할 수 있음을 시사한다.
• 20–50 GeV 범위의 질량과 혼합 각도 제곱 θₛ² ≈ 10⁻¹²에서 10⁻¹¹ 사이의 기하학적 스케일의 비활성 중성미오가 예측되며, 이는 FCC 실험의 해상도 내에 있다.
• 모든 실험 제약 조건을 만족하는 비활성 중성미오 영역은 FCC에서 검출 가능하며, 큰 20×20 혼합 행렬 덕분에 기존의 케논 시즈 모형보다 훨씬 더 높은 검출 가능성 확보가 가능하다.
• 모델은 LHC에서 특이한 전하 페르미온(E′)을 포함한 Drell-Yan 과정을 통해 검출 가능성을 가진 서명을 예측하며, U(1) 대칭성의 골드스토니 보손 G는 초기 우주 단계 전이에서 중력파를 통해 탐지 가능할 수 있다.
• 추가로 관성 두중체를 도입할 경우 어두운 물질 제약 조건과도 일치하며, 500 GeV의 어두운 물질 후보가 가능하다.