[논문 리뷰] Radiative neutrino mass in an alternative $U(1)_{B-L}$ gauge symmetry

Takaaki Nomura, Hiroshi Okada|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 23.

Neutrino Physics Research인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 오른쪽 손가락 뉴트리노에 비자명한 $U(1)_{B-L}$ 전하를 부여한 대안적 $U(1)_{B-L}$ 게이지 대칭을 바탕으로 한 복사 뉴트리노 질량 모형을 제안한다. 여기서 뉴트리노 질량은 특이한 스칼라 및 페르미온 루프를 통해 한 루프에서 발생한다. 잔류 $Z_2$ 대칭은 어둠마 물질의 안정성을 보장하며, 모형은 $Z'$ 및 골드스토니 보손을 통한 상호작용 채널을 통해 뉴트리노 진동 데이터, 렙톤 형상 위반 제약 조건, 관측된 어둠마 물질 잔류 밀도를 성공적으로 맞춘다.

ABSTRACT

We propose a neutrino model in which neutrino masses are generated at one loop level and three right-handed fermions have non-trivial charges under $U(1)_{B-L}$ gauge symmetry in no conflict with anomaly cancellation. After the spontaneously symmetry breaking, a remnant $Z_2$ symmetry is induced and plays an role in assuring the stability of dark matter candidate.

연구 동기 및 목표

• 오른쪽 손가락 뉴트리노에 대해 대안적 $U(1)_{B-L}$ 전하 할당을 기반으로 한 복사 뉴트리노 질량 모형을 구축하는 것.
• 이론의 이상성과 게이지 불변성을 유지하면서도 한 루프에서 뉴트리노 질량 생성을 보장하는 것.
• 게이지 대칭의 자발적 대칭 깨짐 이후 잔류 $Z_2$ 대칭을 통해 페르미온 어둠마 물질 후보를 안정화하는 것.
• 뉴트리노 진동 데이터, 렙톤 형상 위반 제약 조건, 관측된 어둠마 물질 잔류 밀도를 $Z'$ 및 골드스토니 보손을 통한 상호작용 채널을 통해 적합하는 것.

제안 방법

• 이상성 제거와 한 루프 뉴트리노 질량 생성을 가능하게 하기 위해 오른쪽 손가락 뉴트리노 세 개에 대해 $U(1)_{B-L}$ 전하 $-4, -4, 5$ 를 도입한다.
• 대칭을 깨고 물리적 골드스토니 보손(GB)을 생성하기 위해 비제로 $U(1)_{B-L}$ 전하를 지닌 두 개의 SM 싱เก트론 스칼라 필드 $\varphi_1, \varphi_2$ 를 가정한다.
• 한 루프 뉴트리노 질량 생성을 위해 관찰자 이중체와 싱เก트론 스칼라($\eta$, $s$)를 도입하여 $N_{R_i}$ 와 스칼라 상태를 포함한 루프 다이어그램을 구현한다.
• 뉴트리노 질량 행렬을 $N_{R_i}$ 와 스칼라 보편자 전파함수를 포함한 한 루프 자기에너지 다이어그램을 통해 유도하며, $\mu$-항의 억제를 보장한다.
• 교환 횡단단면 공식을 사용하여 어둠마 물질 페르미온 $X$ 의 잔류 밀도를 $XX \to Z'$ 및 $XX \to 2\text{GB}$ 를 통해 계산한다. 여기서 $M'_{11}$, $v'_{\varphi_2}$, $M_X$ 를 포함한다.
• 전반적 및 벤치마크 분석을 수행하여 뉴트리노 데이터, LFV 제약 조건, $\Omega h^2$ 를 충족시키기 위해 양자역학 상수, $Z'$ 질량, $M_X$ 를 제약 조건화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비자명한 $U(1)_{B-L}$ 전하 할당을 가진 오른쪽 손가락 뉴트리노를 가진 복사 뉴트리노 질량 모형을 수립할 수 있는가? 이 경우 나무 수준 질량 생성을 피할 수 있는가?
• RQ2 왜 $U(1)_{B-L}$ 의 자발적 대칭 깨짐이 어둠마 물질 후보를 안정화하는 잔류 $Z_2$ 대칭을 유도하는가?
• RQ3 뉴트리노 진동 데이터를 재현하고, 렙톤 형상 위반 제약 조건을 충족하며, 정확한 어둠마 물질 잔류 밀도를 달성할 수 있는 타당한 매개변수 영역는 어디인가?
• RQ4 $Z'$ 및 골드스토니 보손을 통한 상호작용 과정이 어둠마 물질 잔류 밀도에 어떻게 기여하는가? 허용 가능한 질량 범위는 무엇인가?

주요 결과

• 뉴트리노 질량은 $N_{R_i}$, $\eta$, $s$ 를 포함한 루프를 통해 한 루프에서 생성되며, 뉴트리노 진동 데이터를 적합하기 위해 양자역학 상수의 크기가 약 $\mathcal{O}(0.01)$ 수준이 된다.
• 대칭 깨짐 이후 잔류 $Z_2$ 대칭은 가장 가벼운 중성 페르미온 $X$ 를 타당한 어둠마 물질 후보로 안정화시킨다.
• 관측된 어둠마 물질 잔류 밀도는 $m_{Z'} \sim 2M_X$ 일 때 $Z'$를 통한 상호작용에 의해 재현되며, 이는 공명 증폭 효과를 나타낸다.
• 골드스토니 보손(GB) 모드는 $M_X$ 가 낮을 경우, 특히 $M_X \lesssim 100$ GeV 이고 $|M'_{11}| \gtrsim 150$ GeV 일 때 잔류 밀도에 크게 기여한다.
• 어둠마 물질에 대한 양자역학 상수는 무시할 만큼 작기 때문에, 주요 잔류 밀도 기여는 직접적인 양자역학 상호작용이 아닌 $Z'$ 및 GB를 통한 상호작용에서 비롯된다.
• 모형은 $g_{BL}/m_{Z'} \leq 1/(7\,\text{TeV})$ 의 LEP 제약 조건을 충족하며, $v'_1 \sim 66\,\text{TeV}$ 와 $v'_2 = 500\,\text{GeV}$ 를 통해 일관되게 $v'_2 \ll v'_1$ 를 유지한다.