[논문 리뷰] Probing TeV scale origin of neutrino mass at lepton colliders

P. S. Bhupal Dev, Rabindra N. Mohapatra외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 향후 $e^+e^-$ 렙톤 충돌기가 $B-L$ 대칭을 가진 왼쪽-오른쪽 대칭 모형의 테바 스케일 스칼라 섹터를 탐색할 수 있음을 제안한다. 특히 중성 $H_3$ 및 이중적으로 양성인 $H^{±\pm}$ 힉스 보손에 초점을 맞춘다. 연구에서는 $e^+e^- \to \mu^\pm \tau^\mp + H_3$ 또는 $H^{\pm\pm}$ 쌍 생성과 같은 렙톤 편미로 위반이 발생하는 신호를 통해, 각각 $10^{-4}$ 및 $10^{-3}$ 수준의 양자수 상호작용을 탐색할 수 있음을 보여주며, 이는 현재의 실험적 탐색 범위를 훨씬 초월한다.

ABSTRACT

We point out how future lepton colliders can provide unique insight into the scalar sector of TeV scale models for neutrino masses with local $B-L$ symmetry. Our specific focus is on the minimal TeV scale left-right model, which naturally embeds this $B-L$ symmetry. In particular, we make a detailed study of the lepton collider implications of the neutral ($H_3$) and doubly-charged ($H^{\pm\pm}$) scalars from the right-handed triplet Higgs that is responsible for the spontaneous breaking of the $B-L$ symmetry and implementing the seesaw mechanism. Due to mixing with other scalars, the neutral scalar $H_3$ could acquire sizable flavor violating couplings to the charged leptons. Produced on-shell or off-shell at the planned $e^+e^-$ colliders, it would induce distinct lepton flavor violating signals like $e^+e^- o \mu^\pm au^\mp ~ (+H_3)$, with the couplings probed up to $\sim 10^{-4}$ for a wide range of neutral scalar mass, which is well beyond the reach of current searches for charged lepton flavor violation. The Yukawa couplings of the doubly-charged scalar $H^{\pm\pm}$ to the charged leptons might also be flavor-violating, which is correlated to the heavy right-handed neutrino masses and mixings. With a combination of the pair, single and off-shell production of $H^{\pm\pm}$ like $e^+e^- o H^{++} H^{--},\, H^{\pm\pm} e^\mp \mu^\mp,\, \mu^\pm au^\mp$, the Yukawa couplings can be probed up to $10^{-3}$ at future lepton colliders, which is allowed by current lepton flavor data in a large region of parameter space. For both the neutral and doubly-charged cases, the scalar masses could be probed up to the few-TeV range in the off-shell channel.

연구 동기 및 목표

• 지역적 $B-L$ 대칭을 가진 테바 스케일 모형의 스칼라 섹터를 향후 렙톤 충돌기를 통해 탐색할 잠재력을 탐색하는 것.
• 최소한의 왼쪽-오른쪽 모형에서 오른쪽 수프렛 힉스 보손인 $H_3$ 및 $H^{\pm\pm}$ 의 현상학적 성질을 조사하는 것.
• 이러한 스칼라가 렙톤에 대해 편미로 위반 상호작용을 어떻게 탐색할 수 있는지 $e^+e^-$ 충돌기의 능력을 평가하는 것.
• 온-쉘, 오프-쉘, 단일 생성 모드에서 스칼라 질량과 양자수 상호작용에 대한 충돌기 탐색 민감도를 결정하는 것.

제안 방법

• 오른쪽 수프렛 힉스 섹터에 중점을 두고, $B-L$ 대칭을 가진 최소한의 테바 스케일 왼쪽-오른쪽 모형을 분석하는 것.
• 다른 스칼라와의 혼합 효과를 연구하여 렙톤에 대한 편미로 위반 상호작용을 생성하는 것.
• $e^+e^-$ 충돌기에서 $e^+e^- \to H_3 + \mu^\pm \tau^\mp$ 및 $e^+e^- \to H^{++}H^{--}$ 와 같은 과정을 통해 $H_3$ 및 $H^{\pm\pm}$ 의 온-쉘 및 오프-쉘 생성을 평가하는 것.
• 중성미오 질량과의 관련성을 통해 $H^{\pm\pm}$ 의 양자수 상호작용을 제약하는 것.
• 다양한 생성 채널에서 양자수 상호작용과 스칼라 질량에 대한 민감도를 추정하기 위해 충돌기 현상학 기법을 적용하는 것.
• 오프-쉘 생성을 통한 향후 충돌기의 스칼라 질량 측정 범위를 몇 테바 범위까지 확장할 수 있는지 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 향후 $e^+e^-$ 충돌기는 현재의 실험적 한계를 초월하여 중성 스칼라 $H_3$ 가 렙톤에 대해 편미로 위반 상호작용을 어떻게 탐색할 수 있는가?
• RQ2 렙톤 충돌기의 민감도는 이중적으로 양성인 스칼라 $H^{\pm\pm}$ 의 양자수 상호작용에 대해 어느 정도이며, 이는 오른쪽 수프렛 중성미오 질량과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ3 $H_3$ 및 $H^{\pm\pm}$ 의 오프-쉘 생성은 스칼라 질량 측정의 범위를 어느 정도까지 확장시킬 수 있는가?
• RQ4 다른 스칼라와의 혼합 효과는 $H_3$ 및 $H^{\pm\pm}$ 의 편미로 위반 상호작용의 편미로 위반 성격에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 향후 렙톤 충돌기를 통해 $H_3$ 및 $H^{\pm\pm}$ 에 대해 탐색할 수 있는 최대 양자수 상호작용 스케일은 무엇인가?

주요 결과

• 중성 스칼라 $H_3$ 는 $e^+e^- \to \mu^\pm \tau^\mp + H_3$ 와 같은 렙톤 편미로 위반 과정을 매개할 수 있으며, 이 상호작용은 약 $\sim 10^{-4}$ 수준까지 탐색 가능하다.
• 레프톤 편미로 위반 상호작용은 다른 스칼라와의 혼합으로 인해 발생하며, 이는 $e^+e^-$ 충돌기에서 온-쉘 또는 오프-쉘 생성을 통해 탐지 가능하다.
• 이중적으로 양성인 스칼라 $H^{\pm\pm}$ 는 쌍 생성, 단일 생성, 또는 오프-쉘 생성 방식으로 생성될 수 있으며, 이로 인해 그 양자수 상호작용은 최대 $10^{-3}$ 수준까지 탐색 가능하다.
• $H^{\pm\pm}$ 의 양자수 상호작용은 무거운 오른쪽 수프렛 중성미오 질량과 관련되어 있으며, 이는 세우 메커니즘의 매개변수와 연결된다.
• 모든 $H_3$ 와 $H^{\pm\pm}$ 의 오프-쉘 생성은 몇 테바 범위의 스칼라 질량에 대한 민감도를 제공한다.
• 향후 렙톤 충돌기의 통합 탐색 범위는 특히 $H_3$ 와 $H^{\pm\pm}$ 의 상호작용에 대해 현재의 제한을 수십만 배 이상 초월한다.