[논문 리뷰] TeV scale double seesaw in left-right symmetric theories

Joydeep Chakrabortty|arXiv (Cornell University)|2010. 03. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 왼쪽-오른쪽 대칭 이론 내에서 테바 스케일의 이중 세우드 메커니즘을 제안하며, 이는 빛의 중성미오 질량이 무거운 삼중항 페르미온과 오른쪽 수반 중성미오 간의 상호작용으로 발생하며, 이 중 적어도 하나는 테바 스케일에 위치한다. 이 모형은 이러한 무거운 페르미온의 붕괴를 통해 렙토제네시스를 가능하게 하며, 다중 레프톤 최종 상태와 고유한 전하 구성이 특징적인 콜라이더 서명을 예측하여 LHC와 ILC에서 검증 가능하다.

ABSTRACT

We extend the Type I and Type III seesaw mechanisms to generate neutrino masses within the left-right symmetric theories where parity is spontaneously broken. We construct a next to minimal left-right symmetric model where neutrino masses are generated through a variant $double$ seesaw mechanism. In our model at least one of the triplet fermions and the right handed neutrinos are at TeV scale and others are heavy. The phenomenological aspects and testability of the TeV scale particles at collider experiments are discussed. The decays of heavy fermions leading to leptogenesis are pointed out.

연구 동기 및 목표

• 왼쪽-오른쪽 대칭 이론 내에서 타입 I 및 타입 III 세우드 메커니즘을 확장하여 테바 스케일에서 작은 중성미오 질량을 생성하는 것.
• 삼중항 페르미온과 오른쪽 수반 중성미오가 모두 또는 그 주변에 테바 스케일에 위치한 다음 최소 왼쪽-오른쪽 모형을 구축하는 것.
• 이 프레임워크 내에서 테바 스케일의 무거운 페르미온의 현상학적 타당성과 콜라이더 검증 가능성 탐색.
• 오른쪽 수반 중성미오와 삼중항 페르미온의 붕괴를 통한 렙토제네시스 메커니즘 조사, 포함된 루프 유도 CP 비대칭성 포함.
• 실험적 탐지에 적합한 특징적인 콜라이더 서명—예를 들어 네트 +2 전하를 가진 여섯 레프톤, 다섯 레프톤, 네 레프톤 최종 상태—식별.

제안 방법

• 모형은 왼쪽-오른쪽 대칭 게이지 군 $SU(2)_L \otimes SU(2)_R \otimes SU(3)_C \otimes U(1)_{B-L}$ 에 두 개의 힉스 이중항과 이중이중항 힉스 필드를 추가하여 왼쪽-오른쪽 대칭을 깨뜨린다.
• 오른쪽 수반 중성미오와 삼중항 페르미온을 추가 물질 장으로 도입하며, 후자는 $SU(2)_L$ 의 고유 표현으로 변환된다.
• 중성미오 질량은 이중 세우드 메커니즘을 통해 생성되며, 빛의 중성미오 질량은 타입 I 세우드(오른쪽 수반 중성미오)와 타입 III 세우드(삼중항 페르미온) 간의 상호작용으로 발생하며, 세우드 스케일이 테바로 조정된다.
• 렙토제네시스를 위한 CP 비대칭성은 무거운 페르미온을 포함한 일중 루프 자기에너지 및 정점 도형을 사용하여 계산되며, 오른쪽 수반 중성미오와 삼중항 페르미온 양쪽의 기여가 포함된다.
• 모형은 계단식 질량 스펙트럼을 포함한다: $M_{\Sigma_2} < M_{N_2} < M_{\Sigma_1} < M_{N_3}$, 이는 삼중항 페르미온의 $M_{N_2} < M_{\Sigma_1}$ 및 $M_{\Sigma_2} < M_{N_{j}}$ 조건에서 추가 루프 기여를 가능하게 한다.
• 최종 기질 비대칭은 CP 비대칭성과 효율성 인자들을 조합하여 추정되며, 삼중항 페르미온의 세 개의 디제너레이트 성분을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왼쪽-오른쪽 대칭 이론 내에서 삼중항 페르미온과 오른쪽 수반 중성미오가 모두 테바 스케일에 위치하는 경우, 이중 세우드 메커니즘이 실현 가능한가?
• RQ2 이 모형 내에서 테바 스케일의 삼중항 페르미온과 오른쪽 수반 중성미오의 특징적인 콜라이더 서명은 무엇인가, 특히 다중 레프톤 최종 상태에서 어떻게 나타나는가?
• RQ3 무거운 페르미온—오른쪽 수반 중성미오와 삼중항 페르미온의 붕괴는 렙토제네시스에 어떻게 기여하며, 그로 인한 CP 비대칭성은 무엇인가?
• RQ4 계단식 질량 근사에서 자기에너지 및 정점 도형이 CP 비대칭성에 기여하는 비율은 어떻게 되는가?
• RQ5 이 모형은 동시에 렙토제네시스를 설명할 수 있으며, 관측 가능한 최종 상태를 통해 LHC와 ILC에서 검증 가능한가?

주요 결과

• 이 모형은 테바 스케일의 오른쪽 수반 중성미오와 삼중항 페르미온 간의 상호작용을 통해 빛의 중성미오 질량을 생성하는 변형된 이중 세우드 메커니즘을 실현하며, 극도로 높은 스케일이 필요로 하지 않는다.
• 계단식 근사에서 오른쪽 수반 중성미오 붕괴의 CP 비대칭성은 $\varepsilon_{N_2} = -\frac{3}{16\pi}\frac{M_{N_2}}{M_{N_3}}\frac{\mathrm{Im}[(Y_N Y_N^\dagger)_{23}^2]}{\sum_i |(Y_N)_{2i}|^2}$ 로 주어진다.
• 삼중항 페르미온 붕괴의 CP 비대칭성은 다른 SU(2)_L 요소로 인해 오른쪽 수반 중성미오 붕괴보다 3배 감소하지만, 세 개의 성분으로 인해 열적으로 평균화된 붕괴 폭은 3배 더 크다.
• 추가적인 CP 비대칭성 기여는 $M_{N_2} < M_{\Sigma_1}$ 및 $M_{\Sigma_2} < M_{N_{j}}$ 조건에서 루프 도형을 통해 발생하며, 정점 보정에서 유도된 식 $\varepsilon_{N_2}^{\Sigma_1}$ 과 $\varepsilon_{\Sigma_2}^{N_j}$ 이 도출된다.
• 이 모형은 특징적인 콜라이더 신호를 예측한다: 네트 +2 전하를 가진 여섯 레프톤, 다섯 레프톤, 네 레프톤 최종 상태로, 이는 LHC와 ILC에서 매우 검증 가능하다.
• 테바 스케일의 무거운 페르미온과 타당한 렙토제네시스 메커니즘의 공존은 이 모형이 현상학적으로 풍부하고 실험적으로 접근 가능하다는 것을 의미한다.