[论文解读] 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 5

一句话总结

该论文提出了一种具有 Zee-Babu 型结构和 Z₃ 宇称对称性的两圈辐射中微子质量模型，其中包含一个作为玻色子暗物质候选者的规范 singlet 标量。该模型在两圈水平上生成中微子质量，但暗物质直接探测的约束导致有效抑制，使质量标度降至三圈模型的水平，同时仍允许轻子味破坏和符合当前实验限制的 muon g-2 贡献。

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.

研究动机与目标

• 探索一种具有规范 singlet 标量作为暗物质候选者的两圈辐射中微子质量机制。
• 研究中微子质量、轻子味破坏（LFV）、muon g-2 与暗物质现象学之间的相互作用。
• 确定暗物质直接探测约束如何抑制中微子质量生成，从而在效果上使模型表现为三圈行为。
• 评估该模型在当前实验约束下（包括 LFV 过程、Z 玻色子衰变和 muon 异常磁矩）的可行性。

提出的方法

• 该模型在标准模型基础上扩展了三个矢量型中性费米子（Nᵢ）、一个复的惰性双重态标量（η）和一个实的惰性单态标量（χ），它们均受 Z₃ 对称性支配。
• 中微子质量通过涉及带电标量 χ±、中性惰性标量 η⁰ 和 χ 以及矢量型费米子 Nᵢ 的两圈图生成。
• Z₃ 对称性确保了标量暗物质候选者 χ 的稳定性，而惰性标量（η⁰ 与 χ）之间的混合受直接探测实验的约束。
• 轻子味破坏过程如 μ→eγ、τ→μγ 和 Z→ℓℓ′ 在一阶图水平上计算，分支比通过数值方法评估。
• muon 异常磁矩（g-2）通过 χ± 和 η⁰ 与 χ 混合的贡献计算，并施加了实验值与标准模型之间 3σ 差异的约束。
• 在参数空间中执行数值扫描，强制满足中微子振荡数据、LFV 约束、Z 玻色子衰变分支比以及通过 Higgs 共振的暗物质丰度约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有规范 singlet 标量作为暗物质的两圈辐射中微子质量模型，在当前实验约束下能否重现观测到的中微子质量标度？
• RQ2 暗物质直接探测约束在多大程度上抑制了中微子质量生成，从而在效果上使模型表现为三圈行为？
• RQ3 轻子味破坏过程（如 μ→eγ、τ→μγ 和 Z→eμ）的预测是什么？它们是否在当前实验限制范围内？
• RQ4 该模型是否能在 3σ 范围内解释 muon 异常磁矩（g-2）的观测差异？
• RQ5 与通过 Higgs 共振的丰度和直接探测约束一致的参数空间可行区域有哪些？

主要发现

• 暗物质直接探测约束迫使惰性标量之间的混合角（sα）≤ 10⁻²，导致中微子质量矩阵中额外的 sα² 抑制，约 10⁻³。
• 因此，尽管模型的内在结构为两圈，其有效中微子质量标度仍降至三圈机制的水平。
• 在某些区域，μ→eγ 的分支比达到实验上限，而 τ→eγ 和 τ→μγ 的分支比仍远低于其极限。
• Z→eμ 的分支比接近当前实验上限，使其成为未来实验中一个有前景的可观测量。
• 对 muon g-2 的贡献最多约为 ~5×10⁻¹⁵，不足以解释与标准模型之间观测到的 3σ 差异。
• 该模型预测了一个质量约为 Higgs 玻色子质量一半的可行暗物质候选者（mχ ≈ 62.75 GeV），与通过 Higgs 共振的丰度一致。