[论文解读] Left-Right Symmetric Model without Higgs Triplets

K. S. Babu, Anil Thapa|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 126被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种最小化的左右对称模型（LRSM），用希格斯双态和一种新的带电标量 η⁺ 替代传统的希格斯三重态，通过两圈图生成右手中微子的马约拉纳质量。该模型在 W_R 质量从 TeV 到 GUT 规模的广泛范围内成功解释了中微子振荡数据，预测了在 TeV 能标下 ν_R 质量处于 MeV 范围，且与低能、宇宙学及超新星约束一致，同时根据 LHC 数据对 η⁺ 质量设定了 390 GeV 的下限。

ABSTRACT

We develop a minimal left-right symmetric model based on the gauge group $SU(3)_C \otimes SU(2)_L \otimes SU(2)_R \otimes U(1)_{B-L}$ wherein the Higgs triplets conventionally employed for symmetry breaking are replaced by Higgs doublets. Majorana masses for the right-handed neutrinos $(ν_R$) are induced via two-loop diagrams involving a charged scalar field $η^+$. This setup is shown to provide excellent fits to neutrino oscillation data via the seesaw mechanism for the entire range of the $W_R^\pm$ mass, from TeV to the GUT scale. When the $W_R^\pm$ mass is at the TeV scale, the $ν_R$ masses turn out to be in the MeV range. We analyze constraints from low energy experiments, early universe cosmology and from supernova 1987a on such a scenario and show its consistency. We also study collider implications of a relatively light $η^+$ scalar through its decay into multi-lepton final states and derive a lower limit of 390 GeV on its mass from the LHC, which can be improved to 555 GeV in its high luminosity run.

研究动机与目标

• 开发一种最小化的左右对称模型（LRSM），避免使用通常用于自发对称性自发破缺和 seesaw 机制的希格斯三重态。
• 用希格斯双态（χ_L, χ_R）和一种新的带电标量 η⁺ 替代传统的希格斯三重态，通过两圈图机制生成右手中微子（ν_R）的马约拉纳质量。
• 证明该设定可在从 TeV 到 GUT 规模的全部 W_R 规范玻色子质量范围内重现中微子振荡数据，同时与实验和宇宙学约束保持一致。
• 从其衰变为多轻子末态的衰变特性出发，推导 η⁺ 标量的对撞机约束，并利用 LHC 数据设定其质量下限。
• 表明尽管缺乏通常与三重态模型关联的双荷希格斯玻色子，该模型在低能、早期宇宙及超新星 1987a 约束下依然具有可行性。

提出的方法

• 该模型采用规范群 SU(3)_C × SU(2)_L × SU(2)_R × U(1)_{B-L}，利用希格斯双态 χ_L 和 χ_R 实现左右对称性破缺，通过一个双二重态 Φ 实现费米子质量生成。
• 引入一种新的复标量 η⁺（1,1,2），具有轻子数破坏性质，通过 Yukawa 相互作用与右手中微子耦合，介导两圈图生成马约拉纳质量。
• 通过包含 η⁺ 和中性/带电希格斯态的两圈自能图计算 ν_R 的马约拉纳质量，采用维度正则化和 Passarino-Veltman 约化技术评估振幅。
• 从所有贡献的两圈图之和推导中微子质量矩阵，其味结构由幺正矩阵和涉及质量比的圈积分编码。
• 分析圈积分的渐近极限，分两种情形：当中性希格斯 H_γ⁰ 明显重于带电希格斯 H_β⁺ 时，以及两者近乎 degenerate 时。
• 评估来自低能实验、宇宙学及超新星 1987a 的约束，并分析 η⁺ 衰变为多轻子末态的对撞机信号，以从 LHC 数据推导质量下限。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否构建一种无需希格斯三重态的最小左右对称模型，同时仍通过 seesaw 机制生成小的中微子质量？
• RQ2 在缺乏希格斯三重态的情况下，右手中微子马约拉纳质量的生成机制是什么？其现象学特性与标准 seesaw 机制相比如何？
• RQ3 该模型在从 TeV 到 GUT 规模的全部 W_R 质量范围内，对中微子振荡数据的拟合性能如何？
• RQ4 该模型在宇宙学与天体物理约束下表现如何，特别是来自超新星 1987a 和早期宇宙过程的限制？
• RQ5 新带电标量 η⁺ 的对撞机信号特征是什么？能否利用 LHC 数据设定其质量下限？

主要发现

• 该模型通过涉及带电标量 η⁺ 的两圈图机制，成功生成了右手中微子（ν_R）的小马约拉纳质量，避免了对希格斯三重态的需求。
• 当 W_R 质量处于 TeV 能标时，预测 ν_R 质量位于 MeV 范围，与 seesaw 机制及中微子振荡数据一致。
• 该模型在从 TeV 到 GUT 规模的全部 W_R 质量范围内均能拟合中微子振荡数据，表明两圈 seesaw 机制具有强鲁棒性。
• 由于缺乏双荷希格斯玻色子，该模型与低能实验、早期宇宙宇宙学及超新星 1987a 的约束一致。
• 根据 LHC 对多轻子末态的观测数据，对 η⁺ 标量设定了 390 GeV 的质量下限，高亮度运行下可提升至 555 GeV。
• 两圈机制导致独特的希格斯谱：包含四个中性标量、两个赝标量和三个带电标量，与含希格斯三重态的标准 LRSM 显著不同。