[논문 리뷰] Strong CP Problem, Neutrino Masses and the 750 GeV Diphoton Resonance

Qing-Hong Cao, Shao‐Long Chen외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 54

한 줄 요약

이 논문은 페르미온 질량의 보편적 시즈모 메커니즘을 실현하고, 이산 파리티 대칭을 통해 강한 CP 문제를 해결하며, 혼합된 CP-짝성 단일 보존 힉스를 통해 750 GeV 이중 광자 공진성에 대한 설명을 제시하는 left-right 대칭적 $SU(3)_c \times SU(2)_L \times SU(2)_R \times U(1)_L \times U(1)_R$ 모델을 제안한다. 공진성은 벡터-유사 쿼크와 렙톤을 포함한 고리 유도 붕괴에서 기인하며, 광역 범위의 매개변수 영역에서 이중 광자 비율이 잘 설명된다.

ABSTRACT

We present an $SU(3)^{}_{c} imes SU(2)^{}_{L} imes SU(2)^{}_{R} imes U(1)_{L}^{} imes U(1)_{R}^{} ightarrow SU(3)^{}_{c} imes SU(2)^{}_{L} imes SU(2)^{}_{R} imes U(1)^{}_{B-L}$ left-right symmetric model with a discrete parity symmetry to realize a universal seesaw scenario. The model can simultaneously solve the strong CP problem without resorting to the unobserved axion and explain the 750 GeV diphoton resonance reported recently by the ATLAS and CMS collaborations at the LHC. Owing to large suppressions in the two-loop induced Dirac mass terms, the Majorana mass matrices of left- and right-handed neutrinos naturally share the same structure. That allows us to quantitatively study the neutrinoless double beta decay induced by the right-handed currents.

연구 동기 및 목표

• 이산 파리티 대칭을 도입함으로써 악시온을 도입하지 않고 left-right 대칭 모델에서 강한 CP 문제를 해결하기 위해.
• LHC의 ATLAS 및 CMS 실험에서 관측된 750 GeV 이중 광자 공진성을 CP-짝성 단일 보존 힉스 보존을 통해 설명하기 위해.
• 벡터-유사 단일 보존 페르미온과 삼중 보존 힉스 스칼라를 사용하여 양성자 및 뉴트리노 질량에 대한 보편적 시즈모 메커니즘을 실현하기 위해.
• 자연스럽게 정렬된 메이저라 질량 행렬을 통해 오른쪽 전류에 의해 유도되는 무뉴트리노 이중 베타 붕괴를 정량적으로 연구하기 위해.

제안 방법

• 쿼크와 렙톤 질량에 대한 보편적 시즈모를 가능하게 하기 위해 $U(1)_L \times U(1)_R$ 전하를 지닌 $SU(2)$-단일 보존 벡터-유사 페르미온 (U, D, E) 를 도입한다.
• SU(2)-단일 보존 힉스 스칼라를 통해 $U(1)_L \times U(1)_R \to U(1)_{B-L}$ 의 자동 대칭 깨짐을 실현하여, 벡터-유사 페르미온의 질량을 생성한다.
• 좌우 뉴트리노의 메이저라 질량을 타입-II 시즈모를 통해 두 개의 $SU(2)$-삼중 보존 힉스 스칼라를 도입하여 생성한다.
• 차항 게이지 보존과 페르미온을 통해 디락 뉴트리노 질량 항을 이중 고리 수준으로 억제함으로써, 좌우 메이저라 질량 행렬 간의 정렬을 확보한다.
• 750 GeV 공진성에 대한 $gg \to H \to \gamma\gamma$ 과정을 매개하기 위해 혼합된 CP-짝성 단일 보존 상태 $H = \cos\theta H_U + \sin\theta H_E$ 를 사용한다.
• 페르미온 고리 기여와 혼합 각도 $\cos\theta$ 에 의존하는 고리 유도 폭 $\Gamma(H \to gg)$ 와 $\Gamma(H \to \gamma\gamma)$ 를 사용하여 이중 광자 횡단분할을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이산 파리티 대칭을 가진 left-right 대칭 모델에서 악시온 없이 강한 CP 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ2 벡터-유사 쿼크와 렙톤과 결합된 CP-짝성 단일 보존 힉스 보존이 750 GeV 이중 광자 공진성을 설명할 수 있는가?
• RQ3 U(1)_L \times U(1)_R 게이지 대칭을 가진 left-right 대칭 프레임워크에서 보편적 시즈모 메커니즘은 어떻게 일관되게 실현될 수 있는가?
• RQ4 이중 고리 억제는 좌우 뉴트리노 메이저라 질량 행렬을 정렬하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 이 모델은 오른쪽 전류를 통한 무뉴트리노 이중 베타 붕괴의 비율을 정량적으로 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 750 GeV 이중 광자 공진성은 혼합 각도 $\cos\theta \in (0.1, 0.95)$ 범위에서 관측된 횡단분할 6–10 fb 와 일치하는 것으로 설명 가능하다.
• 모델은 $\Gamma(H \to Z\gamma) \sim 0.6 \Gamma(H \to \gamma\gamma)$ 를 예측하며, 현재 실험적 제약과 일치한다.
• 디락 뉴트리노 질량 항은 이중 고리 수준으로 억제되어 좌우 메이저라 질량 행렬 간에 동일한 구조를 갖게 된다.
• 좌우 뉴트리노의 메이저라 질량 행렬은 자연스럽게 정렬되어 오른쪽 전류 기여에 의한 무뉴트리노 이중 베타 붕괴의 정량적 연구가 가능해진다.
• 이중 파리티 대칭을 통해 강한 CP 문제는 해결되며, 악시온의 도입이 필요 없다.
• 모델은 ATLAS 직접 탐색 제약과 일치하는 벡터-유사 쿼크 질량 $m_U \approx 884~\text{GeV}$ 와 $m_E \approx 619~\text{GeV}$ 를 예측한다.