[논문 리뷰] Left-Right Symmetric Model without Higgs Triplets

K. S. Babu, Anil Thapa|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 126인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 기존의 힉스 삼중항을 대체하기 위해 힉스 이중항과 새로운 전하 스칼라 η⁺를 도입하여 양측 대칭 모형(LRSM)을 제안한다. 이 모형은 두 번째 순서 도형을 통해 오른쪽 수반 중성자 ν_R의 메이저라 마스를 생성하며, 이는 W_R 보존 질량이 테바르에서 GUT 스케일에 이르기까지 넓은 범위에서 중성자 진동 데이터를 잘 설명한다. 모형은 저에너지, 천체물리학적, 초신성 관측 제약 조건과도 일치하며, LHC 데이터로부터 η⁺ 질량에 대해 390 GeV의 하한선을 설정한다.

ABSTRACT

We develop a minimal left-right symmetric model based on the gauge group $SU(3)_C \otimes SU(2)_L \otimes SU(2)_R \otimes U(1)_{B-L}$ wherein the Higgs triplets conventionally employed for symmetry breaking are replaced by Higgs doublets. Majorana masses for the right-handed neutrinos $(ν_R$) are induced via two-loop diagrams involving a charged scalar field $η^+$. This setup is shown to provide excellent fits to neutrino oscillation data via the seesaw mechanism for the entire range of the $W_R^\pm$ mass, from TeV to the GUT scale. When the $W_R^\pm$ mass is at the TeV scale, the $ν_R$ masses turn out to be in the MeV range. We analyze constraints from low energy experiments, early universe cosmology and from supernova 1987a on such a scenario and show its consistency. We also study collider implications of a relatively light $η^+$ scalar through its decay into multi-lepton final states and derive a lower limit of 390 GeV on its mass from the LHC, which can be improved to 555 GeV in its high luminosity run.

연구 동기 및 목표

• 기존의 자발적 대칭 붕괴와 시즈모 메커니즘에 필수적인 힉스 삼중항을 사용하지 않는 최소한의 좌우 대칭 모형(LRSM)을 개발하는 것.
• 기존의 힉스 삼중항 섹터를 힉스 이중항(χ_L, χ_R)과 새로운 전하 스칼라 η⁺로 대체하여, 오른쪽 수반 중성자(ν_R)의 메이저라 질량을 두 번째 순서 도형을 통해 생성하는 것.
• 이 설정이 W_R 게이지 보존 질량이 테바르에서 GUT 스케일에 이르기까지 전역 범위에서 중성자 진동 데이터를 잘 맞추며, 실험적 및 천체물리학적 제약 조건과도 일치함을 보여주는 것.
• 특히 다중 렙톤 최종 상태로 붕괴하는 η⁺의 콜라이더 서명을 분석하여 LHC 데이터로부터 η⁺ 질량에 하한선을 설정하는 것.
• 이중 전하 힉스 보손이 일반적으로 삼중항 모형과 연관되지만, 이 모형에서는 존재하지 않기 때문에, 저에너지, 초기 우주, 그리고 초신성 1987a 제약 조건에서도 모형이 유효한지 확인하는 것.

제안 방법

• 게이지 군 SU(3)_C × SU(2)_L × SU(2)_R × U(1)_{B-L}을 사용하며, 좌우 대칭 붕괴를 위해 힉스 이중항 χ_L과 χ_R를 도입하고, 페르미온 질량 생성을 위해 비이중항 Φ를 사용한다.
• 레프톤 수를 위반하는 복소 스칼라 η⁺(1,1,2)를 도입하여 오른쪽 수반 중성자와 유카와 상호작용을 통해 두 번째 순서 도형을 통해 메이저라 질량을 생성한다.
• ν_R의 메이저라 질량은 η⁺와 중성자/양성자 힉스 상태를 포함하는 두 번째 순서 자기에너지 도형을 사용하여 계산되며, 차원 정규화와 Passarino-Veltman 기법을 통해 산술된다.
• 모든 기여하는 두 번째 순서 도형의 합으로부터 중성자 질량 행렬이 유도되며, 이는 유니터리 행렬과 질량 비율을 포함하는 적분에 의해 맛의 구조가 표현된다.
• 두 개의 근사한도를 분석한다: 중성자 힉스 H_γ⁰이 양성자 힉스 H_β⁺보다 훨씬 무거울 경우와, 거의 일치하는 질량을 가질 경우.
• 저에너지 실험, 천체물리학, 초신성 1987a 제약 조건을 평가하고, η⁺가 다중 렙톤 최종 상태로 붕괴하는 콜라이더 서명을 분석하여 LHC 데이터로부터 질량 하한선을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 힉스 삼중항을 사용하지 않고도, 시즈모 메커니즘을 통해 작은 중성자 질량을 생성할 수 있는 최소한의 좌우 대칭 모형을 구성할 수 있는가?
• RQ2 힉스 삼중항이 없는 조건에서 오른쪽 수반 중성자 ν_R의 메이저라 질량은 어떤 메커니즘으로 생성되며, 기존의 표준 시즈모 메커니즘과 비교해 어떤 현상학적 특징을 갖는가?
• RQ3 이 모형은 W_R 보존 질량이 테바르에서 GUT 스케일에 이르기까지 넓은 범위에서 중성자 진동 데이터를 얼마나 잘 맞추는가?
• RQ4 특히 초신성 1987a와 초기 우주 과정을 고려할 때, 이 모형은 천체물리학적 및 천체물리학적 제약 조건을 얼마나 잘 만족하는가?
• RQ5 새로운 전하 스칼라 η⁺의 콜라이더 서명은 무엇이며, LHC 데이터로부터 어떤 질량 하한선을 설정할 수 있는가?

주요 결과

• 이 모형은 전하 스칼라 η⁺를 포함하는 두 번째 순서 도형을 통해 오른쪽 수반 중성자(ν_R)의 작은 메이저라 질량을 성공적으로 생성하며, 힉스 삼중항의 필요성을 피한다.
• W_R 질량이 테바르 스케일일 경우, ν_R 질량은 MeV 범위로 예측되며, 이는 시즈모 메커니즘과 중성자 진동 데이터와 일치한다.
• 이 모형은 W_R 질량이 테바르에서 GUT 스케일에 이르기까지 전역 범위에서 중성자 진동 데이터를 잘 맞추며, 두 번째 순서 시즈모 메커니즘의 강건성을 입증한다.
• 이중 전하 힉스 보손이 없는 점을 고려할 때, 저에너지 실험, 초기 우주 천체물리학, 초신성 1987a 제약 조건과도 일치한다.
• LHC에서 다중 렙톤 최종 상태를 관측한 데이터로부터 η⁺ 스칼라에 대해 390 GeV의 질량 하한선을 설정하였으며, 고광도 런에서는 이 값이 555 GeV까지 향상될 수 있다.
• 두 번째 순서 메커니즘은 표준 LRSM과는 다름없이 네 개의 중성자 스칼라, 두 개의 페시스칼라, 세 개의 양성자 스칼라로 구성된 특징적인 힉스 스펙트럼을 유도한다.