[논문 리뷰] Neutrino mass in a gauged $L_μ- L_τ$ model

Chuan-Hung Chen, Takaaki Nomura|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 최소 게이지 확장에서 렙톤수 위반과 자발적 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 대칭의 비대칭화를 통해 중성미온 질량을 생성하는, 힉스 트리플렛, 두 개의 싱เก트론 스칼라, 두 개의 벡터-유사 이중 렙톤을 포함한 게이지된 $L_\mu - L_\tau$ 모형을 제안한다. 이 모형은 프램튼-글라쇼-마르파티의 두 제로 텍스처 중성미온 질량 행렬을 실현하며, $\sum |m_j| < 0.12$ eV 및 $\langle m_{\beta\beta} \rangle = (0.34, 2.3) \times 10^{-2}$ eV을 도출한다. $v_\Delta \sim 0.01$ GeV 이며 $Y_{45} \sim 0.05$일 경우, $H^{\pm\pm} \to \mu^\pm\tau^\pm$ 붕괴가 10% 수준에서 관측 가능하다. 또한 벨레 II에서 검출 가능한 $h \to \mu\tau$ 및 $\tau \to \mu Z'Z'$와 같은 관련된 렙톤-플레버 위반 과정을 예측한다.

ABSTRACT

We study the origin of neutrino mass through lepton-number violation and spontaneous $U(1)_{L_μ-L_τ}$ symmetry breaking. To accomplish the purpose, we include one Higgs triplet, two singlet scalars, and two vector-like doublet leptons in the $U(1)_{L_μ-L_τ}$ gauge extension of the standard model. To completely determine the free parameters, we employ the Frampton-Glashow-Marfatia (FGM) two-zero texture neutrino mass matrix as a theoretical input. It is found that when some particular Yukawa couplings vanish, an FGM pattern can be achieved in the model. Besides the explanation of neutrino data, we find that the absolute value of neutrino mass $m_j$ can be obtained in the model, and their sum can satisfy the upper bound of the cosmological measurement with $\sum_j |m_j| &lt; 0.12$ eV. The effective Majorana neutrino mass for neutrinoless double-beta decay is below the current upper limit and is obtained as $\langle m_{ββ} angle =(0.34,\, 2.3) imes 10^{-2}$ eV. In addition, the doubly charged Higgs $H^{\pm\pm}$ decaying to $μ^\pm τ^\pm$ final states can be induced from a dimension-6 operator and is not suppressed, and its branching ratio is compatible with the $H^{\pm \pm} o W^\pm W^\pm$ decay when the vacuum expectation value of Higgs triplet is $O(0.01)$ GeV.

연구 동기 및 목표

• 표준모형의 최소 게이지 확장에서 렙톤수 위반과 자발적 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 대칭의 비대칭화를 통해 중성미온 질량 기원을 설명하기 위해.
• 모델 매개변수를 제약하기 위한 이론적 입력으로 프램튼-글라쇼-마르파티(FGM)의 두 제로 텍스처 중성미온 질량 행렬을 실현하기 위해.
• 중성미온 질량의 합에 대한 천체물리학적 제약($\sum |m_j| < 0.12$ eV)과 무중성미온 이중베타 붕괴의 효과적 메이저라 질량 상한선을 만족하기 위해.
• 플레버 물리학 및 콜라이더 물리학에서의 현상학적 타당한 신호를 탐색하기 위해, 렙톤-플레버 위반 붕괴 및 이중적으로 양전하를 가진 힉스 붕괴를 포함하여.

제안 방법

• 렙톤수 위반을 매개하기 위해 초전하 $Y=1$ 이며 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 전하가 0인 힉스 트리플렛을 도입한다.
• 게이지 대칭을 자발적으로 깨뜨리기 위해 상반된 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 전하를 가진 두 개의 싱เก트론 스칼라를 도입하여 메이저라 질량 생성을 가능하게 한다.
• 표준모형 렙톤과 싱게트론 스칼라 간의 상호작용을 매개하기 위해 두 개의 벡터-유사 이중 렙톤을 도입하여 게이지 불변성을 유지한다.
• 자유 매개변수의 수를 줄이기 위해 중성미온 질량 행렬의 자유 매개변수를 고정하기 위해 FGM의 두 제로 텍스처를 이론적 입력으로 구현한다.
• 차원 6 연산자를 통해 $Y_{45}$ 양자수 결합을 이용해 $H^{\pm\pm} \to \mu^\pm\tau^\pm$ 붕괴의 크기를 증가시켜, 스칼라 수준의 $W^\pm W^\pm$ 붕괴를 보완한다.
• 효과적 라그랑지안을 사용하여 $h \to \mu\tau$, $\tau \to \mu Z'Z'$, $H^{\pm\pm} \to \mu^\pm\tau^\pm$의 분해율을 계산하고, 실험적 감도와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 히iggs 트리플렛, 두 개의 싱게트론 스칼라, 두 개의 벡터-유사 렙톤을 포함한 게이지된 $L_\mu - L_\tau$ 모형이 자발적 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 대칭의 비대칭화를 통해 현실적인 중성미온 질량 행렬을 생성할 수 있는가?
• RQ2 특정 양자수 결합이 0이 되었을 때, 이 모형이 프램튼-글라쇼-마르파티의 두 제로 텍스처 중성미온 질량 행렬을 실현하는가?
• RQ3 이 모형이 중성미온 질량의 합($\sum |m_j| < 0.12$ eV)과 무중성미온 이중베타 붕괴의 상한선에 대한 제약 조건을 만족하는가?
• RQ4 중성미온 질량의 효과적 메이저라 질량 $\langle m_{\beta\beta} \rangle$는 무엇인가? $h \to \mu\tau$, $\tau \to \mu Z'Z'$, $H^{\pm\pm} \to \mu^\pm\tau^\pm$와 같은 렙톤-플레버 위반 과정의 현상학적 함의는 무엇인가?
• RQ5 $H^{\pm\pm} \to \mu^\pm\tau^\pm$ 붕괴 분해율이 크고 향후 콜라이더 또는 $B$-팩토리에서 관측 가능한가?

주요 결과

• 특정 양자수 결합이 0이 되었을 때, 모형은 FGM의 두 제로 텍스처 중성미온 질량 행렬을 실현하며, 자유 매개변수의 완전한 결정이 가능하다.
• 중성미온 질량의 합은 천체물리학적 상한선을 만족한다: $\sum |m_j| < 0.12$ eV이며, 현재의 천체물리학 측정치와 일치한다.
• 무중성미온 이중베타 붕괴의 효과적 메이저라 중성미온 질량은 $\langle m_{\beta\beta} \rangle = (0.34, 2.3) \times 10^{-2}$ eV이며, 현재의 실험 상한선 이하이다.
• $v_\Delta \sim 0.01$ GeV 이며 $Y_{45} \sim 0.05$일 경우, $H^{\pm\pm} \to \mu^\pm\tau^\pm$ 붕괴 분해율은 $W^\pm W^\pm$ 붕괴율의 약 10%에 도달할 수 있으며, 이는 탐지 가능한 발견 채널이 된다.
• 모형은 $BR(h \to \mu\tau)$와 $BR(\tau \to \mu Z'Z')$ 사이의 상관관계를 예측하며, 후자는 $10^{-9}$ 수준에 도달할 수 있다. 이는 50 ab$^{-1}$의 데이터로 벨레 II의 감도 범위 내에 있다.
• $H^{\pm\pm} \to \mu^\pm\tau^\pm$ 붕괴는 차원 6 연산자에 의해 유도되며, 억제되지 않으며, $Y_{45}$ 결합이 분해율 증가에 핵심적인 역할을 한다.