[论文解读] Dynamical Minimal Flavour Violating Inverse Seesaw

Fernando Arias-Aragón, E. Fernández-Martínez+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文在低能见标度的 seesaw 框架内，提出了一个最小 flavor 破坏（MLFV）逆 seesaw 机制的动力学实现，其中将轻子数对称性与味对称性统一，以抑制味破坏过程。基于对称性结构，该工作识别出三种不同情形，表明只有两种情形（A 和 C）能在稀有衰变和 $μ\to e$ 转换中产生可观测的轻子味破坏，而情形 C 预言了与 $M_W$ 一致的窄质量范围（2–3 TeV）的重中性轻子，与 CDF II 实验观测到的 $W$ 玻色子质量异常相符。

ABSTRACT

The Inverse Seesaw mechanism is dynamically realised within the Minimal Lepton Flavour Violation context. Lepton number, whose breaking is spontaneously realised, is generalised to a global Abelian factor of the whole flavour symmetry, that also plays the role of the Peccei-Quinn symmetry. The associated Goldstone boson is a Majoraxion that solves the Strong CP problem and represents a Dark Matter candidate. Three distinct scenarios are identified in terms of flavour symmetry and transformation properties of the exotic neutral leptons that enrich the Standard Model spectrum. The associated phenomenology is studied, focusing on the deviations from unitarity of the PMNS mixing matrix. The strongest constraints arise from the determination of the number of active neutrinos through the invisible width of the $Z$, the comparison of the measured $W$ boson mass with its prediction in terms of the Fermi constant from muon decay, and the null searches for the radiative rare muon decay and $μ o e$ conversion in nuclei. The heavy neutral leptons may have masses of a few TeV, leaving open the possibility for a direct detection at future colliders. The impact of the recent measurement of the $W$ mass at the CDF II detector has also been considered, which, in one of the scenarios, points to a sharp prediction for the masses of the heavy neutral leptons at about $2-3$ TeV.

研究动机与目标

• 构建一个动力学实现的最小 flavor 破坏（MLFV）逆 seesaw 机制，以解释小中微子质量，同时保持预测能力。
• 将轻子数对称性与味对称性统一，以动力学方式抑制轻子数破坏，并生成一个轻的轴子样 Majoron。
• 对不同味群结构下的三种不同对称性实现（情形 A、B 和 C）进行分类与分析，以研究其对奇异中性轻子的影响。
• 通过电弱精确测量可观测量、轻子味破坏及对撞机搜索的约束，评估每种情形的现象学可行性。
• 检验该模型与近期 CDF II 实验对 $W$ 玻色子质量测量的一致性，特别是与 $M_W$ 异常的关系。

提出的方法

• 在拉格朗日量中施加一个全局味对称性 $\mathcal{G}_{F}^{\text{NA}}$，将 Yukawa 耦合和 Majorana 质量推广为 spurion 场，以实现最小 flavor 破坏。
• 构建中性轻子扇区（包括 $\nu_L$、$N_R$ 和 $S_R$）的完整质量矩阵 $\mathcal{M}_{\chi}$，并引入小参数 $\epsilon$、$\mu$ 和 $\mu'$ 以实现近似轻子数对称性。
• 推导出有效 $d=6$ 算符 $\mathcal{O}_{d=6} \sim \bar{\ell}_L \tilde{H} \, c_{\mathcal{O}} \, i\not{\partial}(\tilde{H}^\dagger \ell_L)$，其威尔逊系数 $c_{\mathcal{O}} = \mathcal{Y}_\nu \frac{1}{\Lambda \Lambda^\dagger} \mathcal{Y}_\nu^\dagger$ 依赖于味结构。
• 分析三种不同的对称性实现：(A) $SU(3)_{\ell_L} \times SU(3)_{e_R} \times SO(3)_{N_R+S_R}$，(B) $SU(3)_V \times SU(3)_{e_R}$ 且 $N_R \sim S_R \sim 3$，(C) $SU(3)_V \times SU(3)_{e_R}$ 且 $N_R \sim \overline{S_R} \sim 3$，每种情形均将 spurion 数量减少至两个。
• 利用味对称性所施加的相关性，评估来自 $Z$ 玻色子不可见宽度（有效 $N_\text{eff}$）、$M_W$ 测量、$\mu \to e$ 转换及电磁稀有衰变（$\ell \to \ell' \gamma$）的约束。
• 对实验数据（包括 CDF II 的 $M_W$ 测量）进行全局拟合，以识别可行的参数区域，并预测对撞机信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何构建一个动力学 MLFV 逆 seesaw 模型，将轻子数对称性与味对称性统一，以抑制味破坏？
• RQ2 三种基于对称性的实现（情形 A、B 和 C）在低能见标度逆 seesaw 模型中表现出怎样的现象学差异？
• RQ3 该模型在多大程度上可以解释近期 CDF II 对 $W$ 玻色子质量的测量，特别是情形 C？
• RQ4 在每种对称性情形下，哪类轻子味破坏过程——$\mu \to e$ 转换还是 $\ell \to \ell' \gamma$——是更敏感的探测工具？
• RQ5 该模型能否预言与 $M_W$ 异常一致的重中性轻子质量窗口？该窗口是否可在未来对撞机上被检验？

主要发现

• 情形 C（$N_R \sim \overline{S_R} \sim 3$）在稀有衰变或 $\mu \to e$ 转换中不产生轻子味破坏，使其与情形 A 和 B 可区分。
• 情形 A 和 C 允许重中性轻子质量低至数 TeV，使其在未来的对撞机上具有潜在可探测性，而情形 B 要求最轻态质量至少为 10 TeV。
• CDF II 对 $W$ 玻色子质量的测量仅与情形 C 一致，该情形预言了最轻重中性轻子的窄质量窗口（2–3 TeV）。
• 该模型预言了一个轻的轴子样 Majoron，其标度 $f_a \sim 10^8$ GeV，可解决强 CP 问题，并可能对暗物质有贡献。
• 在情形 A 和 B 中，$\tau \to \mu\gamma$ 是主导的电磁衰变，而 $\mu \to e\gamma$ 和 $\tau \to e\gamma$ 的分支比并非按层次排列，其大小取决于中微子质量顺序。
• 该模型的 MLFV 结构确保所有 $d=6$ 算符系数相互关联，增强了预测能力，并可直接与 $\mu \to e$ 转换和稀有衰变的实验约束进行比较。