[论文解读] Scotogenic R uMDM at Three-Loop Level

Petar Čuljak, Krešimir Kumerički+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 27被引用 21

一句话总结

该论文提出了一种三圈辐射中微子质量模型（RνMDM），其中中微子质量源于规范双 Higgs 模型（2HDM）框架内费米子五重态与标量七重态之间的相互作用。该模型通过场内容与标准模型（SM）规范结构自然实现一个意外 Z₂ 对称性，使马约拉纳费米子五重态稳定为暗物质候选者，且在 LHC 的单喷注搜索中，质量低于 450 GeV 的暗物质粒子可能被发现。

ABSTRACT

We propose a model in which the radiative neutrino (Rν) masses are induced by fermion quintuplet and scalar septuplet fields from the minimal-dark-matter (MDM) setup. In conjunction with the 2HDM fields, on top of which our model is built, these hypercharge zero fields and additional scalar quintuplet lead to an accidental DM-protecting Z_2 symmetry and establish the R uMDM model at the three-loop level. We assess the potential for discovery of quintuplet fermions on present and future pp colliders.

研究动机与目标

• 构建一个在三圈层次上的辐射中微子质量模型，自然解释中微子质量的微小性。
• 在不强制引入人为 Z₂ 对称性的情况下稳定暗物质候选者，而是依赖于场内容与标准模型规范结构所导致的意外 Z₂ 对称性。
• 通过引入更高弱多重态（费米子五重态与标量七重态）扩展最小暗物质（MDM）框架，以实现三圈中微子质量生成。
• 评估 LHC 中对奇异五重态态的物理解释性与可探测性，特别是通过单喷注信号。
• 通过用更高多重态替代较轻场，解决先前模型中 Z₂ 对称性破缺的问题，利用高维算符保持对称性。

提出的方法

• 采用 Aoki、Kanemura 与 Seto（AKS）提出的三圈拓扑结构作为中微子质量生成的核心机制。
• 引入费米子五重态 Σ∼(5,0) 与标量七重态 χ∼(7,0) 作为主要新场，二者在标准模型规范群下变换，超荷为零。
• 利用两希格斯双重态模型（2HDM）规范 sector 提供必要的 Yukawa 耦合，并在三圈图中生成所需的中微子质量。
• 通过为奇异场分配适当的量子数，确保所有相关相互作用为 Z₂ 偶，从而保护 Z₂ 对称性，防止暗物质衰变。
• 构建有效拉格朗日量，包含如 (H₁H₂*)³χ/Λ³ 等维数 7 算符，以介导双重态与七重态之间的混合，其过程受高能标 Λ 抑制。
• 利用单喷注搜索策略分析 LHC 物理现象，重点关注马约拉纳五重态暗物质候选者的产生与衰变。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用更高多重态（费米子五重态与标量七重态）构建一个三圈辐射中微子质量模型，从而避免人为引入 Z₂ 对称性？
• RQ2 与使用较轻的标量多重态相比，引入标量七重态如何影响暗物质候选者的稳定性及 Z₂ 对称性的结构？
• RQ3 在 LHC 上探测奇异费米子五重态与标量七重态的主要信号是什么，特别是单喷注与希格斯衰变通道？
• RQ4 该模型中的暗物质候选者在高亮度 LHC 上可被探测到的程度如何？其可探测质量范围是什么？
• RQ5 与先前的三圈中微子质量模型相比，该模型在对称性保护与物理解释性测试方面有何优势？

主要发现

• 该模型通过 AKS 拓扑结构实现了三圈辐射中微子质量机制，其中费米子五重态 Σ∼(5,0) 与标量七重态 χ∼(7,0) 为主要媒介。
• 保护暗物质候选者的 Z₂ 对称性源于标准模型规范结构与高阶多重态的量子数，为自然出现的意外对称性，无需人为设定。
• 通过使用七重态场，确保所有相关四次相互作用（如涉及 Φ 与 H 者）为 Z₂ 偶，从而避免早期模型中危险的 Z₂ 破坏项。
• 马约拉纳费米子五重态作为唯一稳定的暗物质候选者，其稳定性得以维持；而标量七重态的中性组分因关键耦合而变得不稳定。
• 质量低于 450 GeV 的暗物质候选者可通过 LHC 的单喷注搜索被探测，其信号可能与标准模型背景清晰区分。
• 该模型提供了一个可行的宇宙学暗物质候选者，并通过圈抑制自然解释了中微子质量的微小性，与中微子质量与电弱尺度之间约 12 个数量级的层级关系一致。