[论文解读] GeV Seesaw, Accidentally Small Neutrino Masses, and Higgs Decays to Neutrinos

André de Gouvêa|ArXiv.org|Jun 12, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 17

一句话总结

本文提出，中微子质量可能由于 seesaw 机制中的抵消效应而‘意外地小’，使得吉吉（GeV）量级的右手中微子能与活性中微子显著混合——混合角可达百分之几，尽管活性中微子质量很小。若如此，希格斯玻色子（低于130 GeV）可能主要衰变为一个活性中微子和一个惰性中微子，产生包含带电轻子、喷胶和缺失能量的末态，可能在大型强子对撞机（LHC）上被探测到。

ABSTRACT

If the Standard Model particle content is extended by gauge singlet fermions (right-handed neutrinos), active neutrinos generically acquire (Majorana) masses, in agreement with our current understanding of the lepton sector. If the right-handed neutrino masses are of the same order as the electroweak symmetry breaking scale, it is usually expected that these will not mediate any experimentally observable effects. Here, I explore the fact that this is not necessarily the case. If neutrino masses are "accidentally small", active-sterile mixing angles can, according to current experimental bounds, be as large as several percent. If this is the case, I argue that the dominant decay mode of light (M_H less than 130 GeV) Higgs bosons could be into an active and a sterile neutrino. The sterile neutrino decays promptly into a charge lepton and an on- or off-shell W-boson, so that the dominant Higgs boson decay mode is H to leptons + jets + missing transverse energy.

研究动机与目标

• 探讨中微子质量因Yukawa项与Majorana质量项中抵消而‘意外地小’的 seesaw 机制的唯象学后果。
• 研究质量接近电弱尺度（吉吉量级）的右手中微子是否能在传统预期此类态不可见的情况下产生可观测效应。
• 评估在当前中微子质量与轻子味违反实验约束下，大活性-惰性混合角（高达百分之几）的可行性。
• 考察低于130 GeV的希格斯玻色子是否可能主要衰变为活性-惰性中微子对，从而产生具有缺失能量与带电轻子的显著对撞机信号。
• 若 seesaw 尺度位于弱尺度且中微子质量意外地小，评估其对顶夸克对撞机与LHC上希格斯物理及轻子数破坏的含义。

提出的方法

• 使用一般中微子质量矩阵的I型seesaw机制：$ m_{\nu} = \begin{pmatrix} 0 & yv \\ (yv)^T & M \end{pmatrix} $，其中 $ y $ 为Yukawa耦合，$ v = 246 $ GeV，$ M $ 为右手中微子的Majorana质量矩阵。
• 在假设 $ yvM^{-1} \ll 1 $ 的 seesaw 近似下，得到轻子中微子质量 $ m_a \sim y^2 v^2 / M $，以及活性-惰性混合角 $ \Theta \sim yv / M $。
• 识别出当 $ yvM^{-1} $ 项中发生抵消时，$ m_a $ 可意外地小，而 $ \Theta $ 仍可保持较大（高达约3%），从而违反朴素的 $ \Theta \sim \sqrt{m_a / M} $ 标度关系。
• 评估来自无中微子双贝塔衰变、轻子味违反及LEP对中性重轻子的搜索对活性-惰性混合的实验约束。
• 计算 $ H \to \ell + \text{jets} + E_T^\text{miss} $ 的分支比，通过 $ H \to \ell N \to \ell W^* \ell \ell $ 衰变通道，表明当 $ M_H \lesssim 130 $ GeV 时，其可超过标准模型 $ H \to b\bar{b} $ 的分支比。
• 考虑味对称性与横向对称性作为中微子质量意外小的可能动力学解释。

实验结果

研究问题

• RQ1 即使右手中微子质量处于吉吉量级，中微子质量是否仍可能因抵消而意外地小，从而导致大活性-惰性混合？
• RQ2 对于吉吉量级的右手中微子，活性-惰性混合角的唯象学约束为何？其是否可达百分之几的量级？
• RQ3 在何种条件下，希格斯玻色子会主要衰变为一个活性中微子与一个惰性中微子？其对撞机信号特征为何？
• RQ4 此类情形是否可能导致 $ H \to \ell + \text{jets} + E_T^\text{miss} $ 的分支比超过标准模型 $ H \to b\bar{b} $ 的分支比，尤其对轻希格斯玻色子而言？
• RQ5 来自轻子味违反、无中微子双贝塔衰变与LEP搜索的约束，如何限制该模型的可行性？

主要发现

• 当 $ yvM^{-1} $ 项中发生抵消时，中微子质量可意外地小，即使 $ m_a \sim 0.1 $ eV，仍可实现高达约3%的活性-惰性混合角。
• 对于 $ M_{ij} \gtrsim 1 $ GeV，当前实验约束允许活性-惰性混合角达百分之几，具体取决于模型参数。
• 若活性-惰性混合角较大且右手中微子质量处于吉吉量级，则希格斯玻色子衰变为 $ \nu_a N_i $ 的宽度可与标准模型 $ H \to b\bar{b} $ 的衰变宽度相当或更大，当 $ M_H \lesssim 130 $ GeV 时。
• 此时，希格斯玻色子的主要衰变模式将为 $ H \to \ell + \text{jets} + E_T^\text{miss} $，末态包含来自 $ N_i \to \ell W^{(*)} $ 衰变的带电轻子，构成LHC上显著的信号特征。
• 此类情形将导致显著的轻子数破坏，可通过稀有衰变与缺失能量信号在顶夸克对撞机与LHC上探测。
• 若中微子质量的意外小性由隐藏横向对称性保护，则该模型仍具可行性，该对称性可抑制中微子质量矩阵的大贡献，同时允许大混合角。