[논문 리뷰] The Simplest Models of Radiative Neutrino Mass: Excluding Simplified Zee Models and Beyond

Sandy S. C. Law, Kristian L. McDonald|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 17인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 최소성 기준(최소한의 새로운 장, 임의의 대칭이 없고 자유 매개변수 수가 최소인 것)을 적용하여 복사형 중성미온 질량의 가장 단순한 모델을 식별하고 평가한다. 두 가지 새로운 최소 모델(양성 레지니브 스피너와 삼중항 또는 이중항 스칼라를 포함)을 제안하지만, 현재의 중성미온 질량 및 혼합 데이터를 바탕으로 이들을 배제한다. 결과적으로 Zee 모형과 Zee-Babu 모형만이 유일한 두 장을 사용하는 유효한 복사형 중성미온 질량 모형으로 남는다.

ABSTRACT

The complexity of radiative neutrino-mass models can be judged by: (i) whether they require the imposition of ad hoc symmetries, (ii) the number of new multiplets they introduce, and (iii) the number of arbitrary parameters that appear. Adopting the view that the imposition of arbitrary new symmetries is the least appealing approach, the simplest models have two new multiplets and a minimal number of new parameters. With this in mind, we search for the simplest models of radiative neutrino mass. We are lead to two new models, containing a real scalar triplet and a charged scalar doublet (respectively), in addition to the charged singlet scalar considered by Zee [h^+\sim(1,1,2)]. The new models are essentially simplified versions of the Zee model and appear to be \emph{the simplest} models of radiative neutrino mass. However, these models are only of pedagogical interest; despite successfully generating nonzero masses, present-day data is sufficient to rule them out. The lessons learned from these models also enable one to exclude a more general class of radiative models. Moving beyond the minimal cases, we find a new model of two-loop masses that employs the charged doublet Φ\sim(1,2,3) and the doubly-charged scalar k^{++}\sim(1,1,4).

연구 동기 및 목표

• 최소성 기준(최소한의 새로운 장, 임의의 대칭 없음, 최소한의 매개변수)을 사용하여 복사형 중성미온 질량의 가장 단순한 타당한 모델을 식별한다.
• 복사형 중성미온 질량 모델을 복잡성 기준으로 체계적으로 분류하고, 현재의 실험 데이터를 바탕으로 그 타당성을 평가한다.
• 이론적으로 매력적이지만 관측된 중성미온 질량 및 혼합 매개변수와 일치하지 않는 후보 최소 모델을 배제한다.
• 현재의 데이터가 질량 및 혼합 제약 조건에 기반하여 복사형 중성미온 질량 모델의 전체 클래스를 배제할 수 있음을 보여준다.
• 최소 모델이 배제됨으로써 복사형 중성미온 질량 시나리오 및 UV 완성의 광범위한 영역에 미치는 영향을 탐색한다.

제안 방법

• 세 가지 기준(임의의 대칭에 의존하는 정도, 새로운 초표준모형(BSM) 다중항의 수, 자유 매개변수의 수)에 기반한 복잡성 평가 프레임워크를 적용한다.
• 임의의 대칭이 필요로 하지 않는 정확히 두 개의 BSM 다중항을 가진 복사형 중성미온 질량 모델을 식별함으로써, 두 가지 새로운 모델을 발견한다: 하나는 양성 레지니브 트리플릿이고, 다른 하나는 양성 레지니브 이중항이다.
• 중성미온 질량 및 혼합 데이터를 사용하여 이 모델들의 실험 제약 조건과의 일치성을 평가하기 위해 현상학적 분석을 수행한다.
• 일반화된 Zee 모형(스칼라 장이 (1,4,1)로 변환하는 경우 포함)을 포함한 더 넓은 모델 클래스로 분석을 확장하고, 데이터에 의해 이 역시 배제됨을 보여준다.
• 루프 다이어그램(예: 그림 7)을 사용하여 배제된 모델의 일반적 구조를 시각화하며, W 보존 또는 스칼라 교환에 의해 소멸형 중성미온 질량 생성이 이루어짐을 설명한다.
• 특히 색을 지닌 장의 선호도가 이전 연구에서 다를 수 있음을 고려하여, 특히 참고문헌 [17]과의 결과를 비교하고, 갈등의 원인을 단순성 기준의 차이점(특히 색을 지닌 장의 선호도)에서 밝혀낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 개의 새로운 BSM 다중항과 임의의 대칭이 없는 복사형 중성미온 질량 모델 중에서 최소한의 모델은 무엇인가?
• RQ2 가장 단순한 이러한 모델들이 현재의 중성미온 질량 및 혼합 데이터로 배제될 수 있는가?
• RQ3 질량 및 혼합 제약 조건만으로도 배제할 수 있는 복사형 중성미온 질량 모델의 광범위한 클래스는 무엇인가?
• RQ4 양성 레지니브 스피너와 삼중항 또는 이중항 스칼라를 포함한 모델들이 그들의 단순성에도 불구하고 실험 데이터와 일치하지 않는 이유는 무엇인가?
• RQ5 최소 모델이 배제됨으로써 복사형 중성미온 질량이 작은 중성미온 질량을 생성하는 메커니즘으로서의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 두 가지 새로운 최소 복사형 중성미온 질량 모델이 제안된다: 하나는 양성 레지니브 트리플릿 $\Delta\sim(1,3,0)$이고, 다른 하나는 양성 레지니브 이중항 $\Phi\sim(1,2,3)$이며, 모두 양성 레지니브 스피너 $h^+\sim(1,1,2)$를 사용한다.
• 이 두 가지 새로운 모델은 이론적 단순성과 원래 Zee 모형과의 유사성에도 불구하고, 현재의 중성미온 질량 및 혼합 데이터에 의해 배제된다.
• Zee 모형과 Zee-Babu 모형만이 임의의 대칭이 없는 두 장의 복사형 중성미온 질량 모델로서 유일하게 타당하다.
• 두 스칼라 장 $S_{1,2}\sim(1,4,1)$를 가진 일반화된 Zee 모형 역시 동일한 데이터에 의해 배제되며, 더 넓은 배제 패tern을 시사한다.
• 여러 최소 모델의 배제는 새로운 콜라이더 데이터가 필요 없이도 현재의 중성미온 데이터만으로도 복사형 중성미온 질량 모델의 전체 클래스를 반증할 수 있음을 보여준다.
• 결과는 복사형 중성미온 질량이 올바른 메커니즘이라면, Zee 모형과 유사한 세 장의 복합체를 포함하는 더 복잡한 구조를 띄어야 할 가능성이 높다는 것을 시사한다. 이는 제5장에서 제시된 새로운 세 장의 두 루프 모델과도 일치한다.