[논문 리뷰] On the stability of the electroweak vacuum in the presence of low-scale seesaw models

Luigi Delle Rose, C. De Marzo외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 40인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 낮은 스케일의 시즈모 모델—크게 나타나는 요카다 쌍대와 전자약 스케일 근처의 오른쪽 수체를 포함—이 양자역학적 군화에 의한 달라지는 전자약 진공의 안정성에 어떻게 영향을 미치는지 조사한다. 전자약 진공 안정성 조건에 의해 $\text{Tr}(Y_u^\dagger Y_u) \gtrsim 0.4$를 만족하는 요카다 쌍대는 배제되며, 이는 렙톤 편향 위반과 중성미자 없는 이중 베타 붕괴에 강력한 영향을 미친다.

ABSTRACT

The scale of neutrino masses and the Planck scale are separated by more than twenty-seven order of magnitudes. However, they can be linked by imposing the stability of the electroweak (EW) vacuum. The crucial ingredient is provided by the generation of neutrino masses via a seesaw mechanism triggered by Yukawa interactions between the standard model (SM) Higgs and lepton doublets and additional heavy right-handed neutrinos. These neutrinos participate to the renormalization group (RG) running of the dimensionless SM couplings, affecting their high-energy behavior. The Higgs quartic coupling is dragged towards negative values, thus altering the stability of the EW vacuum. In the usual type-I seesaw model, this effect is too small to be a threat since, in order to comply with low-energy neutrino data, one is forced to consider either too small Yukawa couplings or too heavy right-handed neutrinos. In this paper we explore this general idea in the context of low-scale seesaw models. These models are characterized by sizable Yukawa couplings and right-handed neutrinos with mass of the order of the EW scale, thus maximizing their impact on the RG flow. As a general result, we find that Yukawa couplings such that ${ m Tr}(Y_{ u}^†Y_{ u}) \gtrsim 0.4$ are excluded. We discuss the impact of this bound on several observables, with a special focus on the lepton flavor violating process $\mu o e\gamma$ and the neutrino-less double beta decay.

연구 동기 및 목표

• 표준모형의 커플링들이 양자역학적 군화에 의해 어떻게 영향을 받는지 분석함으로써 낮은 스케일의 시즈모 모델이 전자약 진공 안정성에 미치는 영향을 평가하기.
• 안정한 전자약 진공을 유지하기 위해 요구되는 조건에 의해 제약을 받는 요카다 쌍대에 대한 제약 조건을 규명하기.
• 이러한 제약 조건이 렙톤 편향 위반 과정과 중성미자 없는 이중 베타 붕괴에 미치는 현상학적 결과를 탐색하기.
• 진공 안정성 기준을 충족시키는 시즈모 모델의 매개변수 공간을 식별하기.

제안 방법

• 저울 기반의 표준모형 커플링의 양자역학적 군화 방정식(RGEs)을 분석함. 이때, 시즈모 메커니즘에서 무거운 오른쪽 수체 기여를 포함함.
• 낮은 스케일의 시즈모 모델에서 큰 요카다 쌍대가 존재할 경우 힉스 4중 상호작용 커플링의 달라지는 행동을 계산함.
• 시즈모 기여의 강도를 정량화하기 위해 요카다 쌍대 행렬의 트레이스인 $\text{Tr}(Y_u^\dagger Y_u)$를 핵심 관측량으로 사용함.
• 고에너지에서 힉스 포텐셜의 거동에 기반한 진공 안정성 기준을 적용하여 시즈모 매개변수를 제약함.
• 유도된 제약 조건 하에서 렙톤 편향 위반 과정인 $\mu \to e\gamma$와 중성미자 없는 이중 베타 붕괴($0\nu\beta\beta$)에 미치는 영향을 평가함.
• 관측된 중성미자 질량과 일치하는지를 확인하기 위해 결과를 저에너지 중성미자 데이터와 비교함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 낮은 스케일의 시즈모 모델에서 큰 요카다 쌍대는 힉스 4중 상호작용 커플링의 양자역학적 군화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 전자약 진공 안정성을 유지하기 위해 허용되는 $\text{Tr}(Y_u^\dagger Y_u)$의 최대 값은 얼마인가?
• RQ3 힉스 포텐셜의 진공 안정성 제약 조건은 렙톤 편향 위반 현상학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 이러한 제약 조건은 중성미자 없는 이중 베타 붕괴의 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 진공 안정성과 저에너지 중성미자 데이터를 동시에 충족시키는 시즈모 매개변수 공간의 어느 영역이 살아남는가?

주요 결과

• 전자약 진공 안정성 조건에 의해 $\text{Tr}(Y_u^\dagger Y_u) \gtrsim 0.4$를 만족하는 요카다 쌍대는 배제된다.
• 크게 나타나는 요카다 쌍대를 지닌 무거운 오른쪽 수체의 양자역학적 군화 효과로 인해 힉스 4중 상호작용 커플링이 음수 값으로 이동한다.
• 크게 나타나는 요카다 쌍대와 전자약 스케일 근처의 오른쪽 수체를 지닌 낮은 스케일의 시즈모 모델은 전자약 진공을 크게 불안정하게 한다.
• 진공 안정성 제약 조건은 $\mu \to e\gamma$와 같은 렙톤 편향 위반 과정에 관련된 매개변수 공간을 강하게 억제한다.
• $\text{Tr}(Y_u^\dagger Y_u)$에 대한 제약 조건은 중성미자 없는 이중 베타 붕괴의 비율에도 영향을 미쳐, 현재 및 향후 실험에서 관측 가능성의 감소를 초래한다.
• 결과적으로, 타당한 낮은 스케일의 시즈모 모델은 이전에 고려된 것보다 더 작은 요카다 쌍대 또는 더 무거운 오른쪽 수체를 가져야 한다는 결론이 도출된다.