[论文解读] Implications of right-handed neutrinos with electroweak-scale masses

P. Q. Hung|ArXiv.org|Jun 19, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用 4

一句话总结

本文提出一种在电弱尺度（M_R ~ 90–246 GeV）下具有右手中微子（ν_R）的跷跷板机制，其中 ν_R 作为 SU(2)_L 二重态而非单重态变换，使其具有电弱荷并可在对撞机中直接产生。与惰性模型不同，这些 ν_R 状态通过 W± 玻色子交换介导轻子数 violating 过程（如同号 dilepton 事件），从而可在 LHC 和 ILC 中实现直接实验探测。

ABSTRACT

The possibility of constructing a model in which right-handed neutrinos have electroweak-scale masses as well as being {\em non-sterile} was espoused in Ref. 1. In this talk, I will review the ideas and results of Ref. 1 and discuss its implications for colliders such as the Tevatron, LHC and ILC.

研究动机与目标

• 探索具有电弱尺度质量的右手中微子作为标准跷跷板机制中重、惰性 ν_R 的替代方案的可行性。
• 解决当 ν_R 过重而无法直接产生时，探测轻子数破坏与中微子马约拉纳性质的挑战。
• 通过如同号 dilepton 事件和缺失能量等对撞机信号，实现对右手中微子扇区的实验探测。
• 构建一个 ν_R 不为 SM 单重态的模型，从而使其与 Z 和 W 玻色子耦合，实现对撞机中的直接产生与衰变。

提出的方法

• 将右手中微子引入为 SU(2)_L 二重态（l_R^M = (ν_R, e_R^M)^T），打破其作为 SM 单重态的地位，使其可与 Z 和 W 玻色子耦合。
• 实施一个具有马约拉纳质量项（ℒ_M = M_R ν_R^T σ_2 ν_R）和狄拉克质量项（ℒ_D = g_L l_L^† φ ν_R + H.c.）的跷跷板机制，其中 M_R 被调节至电弱尺度。
• 通过 4×4 中微子质量矩阵的对角化推导质量本征态与混合，确保最轻本征态匹配观测到的中微子质量（~eV 量级）。
• 计算通过 Z 玻色子融合产生 ν_R 对的截面（q + q̄ → Z → ν_R + ν_R），由于其非单重态性质，该过程无抑制。
• 分析衰变道如 ν_R → l_R^M ± + W∓，实现轻子数破坏过程，如 ν_R ν_R → l_L^∓ l_L^∓ + W± W± + 缺失能量（ϕ_S）。
• 评估对撞机信号，包括长寿命镜像费米子产生的位移顶点，以及背景（O(α_W²) 小于信号振幅）的抑制。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有电弱尺度质量的右手中微子是否可为非惰性，并通过跷跷板机制重现观测到的小中微子质量？
• RQ2 当右手中微子非 SM 单重态而为 SU(2)_L 二重态时，其在电弱尺度下的对撞机信号特征为何？
• RQ3 由于电弱尺度 ν_R 的衰变，是否可在 LHC 或 ILC 中观测到轻子数破坏过程（如同号 dilepton 事件）？
• RQ4 ν_R 的非单重态性质如何影响其与惰性 ν_R 模型相比的产生与衰变速率？
• RQ5 真空稳定性与标量 sector 质量对本模型中费米子质量施加了何种约束？

主要发现

• 右手中微子的马约拉纳质量在 M_Z/2 < M_R < Λ_EW 范围内（即 ~90–246 GeV）是可行的，且无需 GUT 尺度质量。
• 作为 SU(2)_L 二重态的非惰性 ν_R 可直接与 Z 和 W 玻色子耦合，通过 q + q̄ → Z → ν_R + ν_R 实现无抑制的对产。
• 衰变 ν_R → l_R^M ± + W∓ 允许轻子数破坏过程，如 ν_R ν_R → l_L^∓ l_L^∓ + W± W± + 缺失能量（ϕ_S），产生独特的同号 dilepton 信号。
• 此类信号的背景（如 W±W±W∓W∓ 加缺失能量）在振幅上被抑制 O(α_W²)，使信号可能被观测到。
• 带电镜像费米子（l_R^M）可衰变为 SM 轻子加缺失能量（ϕ_S），为对撞机提供额外的搜索通道。
• 该模型通过真空稳定性将三重态 Higgs（χ̃, ξ）的质量与费米子质量联系起来，暗示标量-费米子质量谱的统一。