[논문 리뷰] Gauged $L_μ$-$L_τ$ Model with an Inverse Seesaw Mechanism for Neutrino Masses

Abhish Dev|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 08.

Neutrino Physics Research인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 동시에 뮤온 비례자기모멘트와 작은 중성미오 질량을 설명할 수 있는 $G_{L-R} \times U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 게이지 대칭 모형을 제안한다. 왼쪽-오른쪽 대칭과 자발적 대칭 깨짐을 갖는 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 게이지 대칭을 조합함으로써, $g-2$에 기여하는 $Z_{\mu\tau}$ 보손이 생성되고, 역시소 메커니즘에서 타입-C 이중제로 텍스처를 실현하여 $\theta_{23} > \frac{\pi}{4}$와 현재 실험 데이터와 일치하는 $\theta_{CP}$ 값을 예측한다.

ABSTRACT

In this paper, we propose a $G_{L-R} imes U(1)_{L_μ-L_τ}$ gauge-symmetric model where $G_{L-R}$ is the left-right gauge symmetry and $L_i$ is the $i-$flavor lepton number. We use the spontaneous breaking (SSB) of $U(1)_{L_μ-L_τ}$ to explain two discrepancies in the standard model: muon anomalous magnetic moment and light neutrinos and its oscillations. The massive neutral gauge boson, $Z_{μτ}$, arising from the SSB can provide additional contributions to the muon anomalous magnetic moment. In order to explain neutrino masses, we employ the low-energy inverse seesaw mechanism by adding three $G_{L-R}$ singlet fermions, $S_{e,μ,τ}$. The light neutrino mass matrix from the inverse seesaw formula has a specific two-zero texture pattern referred in the literature as the Type-C two-zero texture due to the $U(1)_{L_μ-L_τ}$ symmetry. This allows us to predict the values of the CP-violating Dirac phase, Majorana phases, and the absolute value of light neutrino masses in terms of the precisely measured mixing angles and mass squared differences. The model accommodates a quasi-degenerate spectrum of neutrino masses with inverted ordering. The calculated best-fit value of $δ_{CP}$ surprisingly matches with the current experimentally measured best-fit value of $δ_{CP}$. At $1σ$, the measured value of $δ_{CP}$ favors a $θ_{23}>π/4$. At $1σ$, most of the parameter space is within the cosmological bound on the sum of neutrino mass and the bound on the effective Majorana mass from neutrinoless beta decay.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 뮤온 비례자기모멘트($g-2$)의 격차를 해결하기 위해.
• 저에너지 역시소 메커니즘을 통해 왼쪽 중성미오의 작은 질량을 설명하기 위해.
• 왼쪽-오른쪽 대칭과 $L_\mu - L_\tau$ 대칭을 통합하여 자연스럽게 맛 혼합 패턴을 수용할 수 있는 게이지 대칭 모형을 구축하기 위해.
• 우주론적 및 진동 데이터와 일치하는 CP 위반 위상과 중성미오 질량 순서를 예측하기 위해.
• $\theta_{23}$, $\theta_{13}$, 그리고 무중성미오 이중베타 붕괴에 의한 제약 조건을 만족시키면서도 모형이 타당하게 유지되는지 보장하기 위해.

제안 방법

• 왼쪽-오른쪽 게이지 군 $G_{L-R}$와 뮤온 및 타우 렙톤 수의 차이에 관련된 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 게이지 대칭을 도입한다.
• $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$의 자발적 대칭 깨짐을, 비제로 진공 기대값(VEV)을 갖는 힉스 필드를 통해 구현하여 질량이 있는 $Z_{\mu\tau}$ 게이지 보손을 생성한다.
• $G_{L-R}$의 단위 페르미온 세 개($S_{e,\mu,\tau}$)를 도입하여 역시소 메커니즘을 실현하고, seesaw 공식 $m_\nu \sim \frac{v^2}{\Lambda}$를 통해 가벼운 중성미오 질량을 생성한다.
• $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 대칭을 통해 중성미오 질량 행렬에 타입-C 이중제로 텍스처를 강제하여 혼합 각도와 CP 위상에 대한 구체적 예측을 이끌어낸다.
• $W_{3L}$, $W_{3R}$, $B$, $B'$의 혼합을 통해 중성 및 전하를 띤 게이지 보손($Z$, $Z'$, $Z_{\mu\tau}$, $W$, $W'$)의 질량 고유상태를 유도하며, $Z_{\mu\tau}$는 뮤온과 타우에만 결합한다.
• $Z_{\mu\tau}$ 보손을 통해 뮤온 비례자기모멘트에 기여하여, 12–800 GeV 범위의 붕괴 스케일 내에서 관측된 $g-2$ 격차와 일치시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왼쪽-오른쪽 대칭과 결합된 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 게이지 대칭이 관측된 뮤온 비례자기모멘트의 격차를 설명할 수 있는가?
• RQ2 G_{L-R} 단위 페르미온을 갖는 역시소 메커니즘은 어떤 식으로 특정 이중제로 텍스처를 갖는 중성미오 질량 행렬을 생성하는가?
• RQ3 타입-C 이중제로 텍스처 하에서 CP 위반 딜레르 단위상($\delta_{CP}$)과 메조나나 단위상은 무엇인가?
• RQ4 이 모형은 역순서 질량 스펙트럼과 중성미오 질량 합에 대한 천체우주론적 제약 조건과 일치하는 중성미오 질량 스펙트럼을 예측하는가?
• RQ5 이 모형은 $\theta_{23} > \pi/4$, $\theta_{13} \neq 0$, 그리고 무중성미오 이중베타 붕괴의 효과적 메조나나 질량에 의한 제약 조건을 동시에 충족시키는가?

주요 결과

• $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$의 자발적 대칭 깨짐에서 유래한 $Z_{\mu\tau}$ 보손은 뮤온 비례자기모멘트에 중요한 기여를 하여 $g-2$ 이상현상을 해결한다.
• 모형은 Capozzi:2017ipn에서 제시한 현재 실험적 최적 적합값과 일치하는 CP 위반 딜레르 단위상 $\delta_{CP}$의 최적 적합값을 예측한다.
• 1$\sigma$ 범위에서 모형은 $\theta_{23} > \pi/4$를 선호하며, 최근 중성미오 진동 데이터의 글로벌 피팅 결과와 일치한다.
• 중성미오 질량 스펙트럼은 약간의 비슷한 질량을 가지며 역순서이고, 중성미오 질량 합은 천체우주론적 제약 범위 내에 유지된다.
• 무중성미오 이중베타 붕괴에 대한 효과적 메조나나 질량은 현재 실험 한계 내에 있으며, $\beta\beta_{0\epsilon}$ 붕괴에 의한 제약 조건을 충족한다.
• $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$의 붕괴 스케일은 $g-2$ 격차를 수용하기 위해 12–800 GeV 범위로 제약되며, $Z_{\mu\tau}$ 보손은 전자 및 쿼크와 약하게 결합하여 고에너지 충돌 실험 제약 조건을 줄인다.