[論文レビュー] A Two Loop Radiative Neutrino Model

Seungwon Baek, Hiroshi Okada+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ゼー＝バブ型構造とZ₃離散対称性を備えた二重ループ放射ニュートリノ質量モデルを提案する。ゲージノンスカラーとしてのスカラーがボソン的ダークマター候補である。モデルは二重ループでニュートリノ質量を生成するが、ダークマター直接検出制約による有効な抑制により、スケールが三重ループモデルと同等のものに低下する。同時に、現在の実験的制約内でレプトンフラバー違反とミュオンg-2の寄与を許容する。

ABSTRACT

We explore the possibility to explain a bosonic dark matter candidate with a gauge singlet inside the loop to generate the neutrino mass matrix at two-loop level. The mass matrix is suppressed by a small mixing that comes from the bound on {direct detection experiments of the dark matter, and equivalent of the three-loop neutrino model due to the small mixing between neutral inert bosons. Here, our setup is} the Zee-Babu type scenario with $Z_3$ discrete symmetry, in which we consider the neutrino oscillation data, lepton flavor violations, muon $g-2$, $μ-e$ conversion rate, lepton flavor-changing and conserving $Z$ boson decay and bosonic dark matter candidate.

研究の動機と目的

• ゲージノンスカラーをダークマター候補として有する二重ループ放射ニュートリノ質量メカニズムの探求。
• ニュートリノ質量、レプトンフラバー違反（LFV）、ミュオンg-2、およびダークマターの素粒子物理学的性質の相乗的関係の検討。
• ダークマターの直接検出制約がニュートリノ質量スケールをどれほど抑制するかを特定し、結果として三重ループモデルに類似した振る舞いを有効に再現する。
• LFV過程、Zボソン崩壊、およびミュオン異常磁気モーメントからの現在の実験的制約の下でのモデルの妥当性の評価。

提案手法

• 標準模型に、三つのベクトル型中性フェルミオン（Nᵢ）、複素インエルト二重スカラー（η）、および実インエルト単位スカラー（χ）を追加し、これらがZ₃対称性に従う。
• ニュートリノ質量は、電荷を帯びたスカラーχ±、中性インエルトスカラーη⁰およびχ、およびベクトル型フェルミオンNᵢを含む二重ループ図により生成される。
• Z₃対称性により、スカラーのダークマター候補χの安定性が保証される。一方、インエルトスカラー間の混合（η⁰とχ）は、直接検出実験によって制約を受ける。
• レプトンフラバー違反過程（例：μ→eγ、τ→μγ、Z→ℓℓ′）は一重ループレベルで計算され、分岐比は数値的に評価される。
• ミュオン異常磁気モーメント（g-2）は、χ±およびη⁰とχの混合からの寄与を計算し、実験的値における3σの乖離に適合する制約を課す。
• パラメータ空間における数値スキャンが実施され、ニュートリノ振動データ、LFVの制約、Zボソン崩壊分岐比、およびヒッグス共鳴によるリリック密度からの制約が満たされるようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲージノンスカラーをダークマターとして有する二重ループ放射ニュートリノ質量モデルは、現在の実験的制約のもとで、観測されたニュートリノ質量スケールを再現可能か？
• RQ2 ダークマターの直接検出制約が、ニュートリノ質量生成をどれほど抑制するか。結果として、モデルが三重ループに類似した振る舞いを示すか？
• RQ3 μ→eγ、τ→μγ、Z→eμといったレプトンフラバー違反過程の予測は何か。現在の実験的限界内にあるか？
• RQ4 モデルは、観測された3σのミュオン異常磁気モーメント（g-2）の乖離を3σ範囲内で説明可能か？
• RQ5 ヒッグス共鳴によるリリック密度と直接検出制約を満たすパラメータ空間の有効領域は何か？

主な発見

• ダークマターの直接検出制約により、インエルトスカラー間の混合角（sα）は≤ 10⁻²に制限され、これによりニュートリノ質量行列に約10⁻³の追加のsα²抑制が生じる。
• その結果、本質的に二重ループ構造であるにもかかわらず、有効なニュートリノ質量スケールは三重ループ機構と同等のものに低下する。
• μ→eγの分岐比は、一部の領域で実験的上限に達するが、τ→eγおよびτ→μγはそれらの限界のずっと下にある。
• Z→eμの分岐比は、現在の実験的上限に近く、将来的な実験で有望な観測量となる。
• ミュオンg-2への寄与は最大で約5×10⁻¹⁵であり、標準模型との観測された3σ乖離を説明するには小さすぎる。
• モデルは、ヒッグスボソン質量の半分近く（mχ ≈ 62.75 GeV）の質量を持つ妥当なダークマター候補を予測し、ヒッグス共鳴によるリリック密度と整合的である。