[论文解读] Leptogenesis Constraints on $B-L$ breaking Higgs Boson in TeV Scale Seesaw Models

P. S. Bhupal Dev, Rabindra N. Mohapatra+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 44被引用 3

一句话总结

本文研究了TeV尺度类型-I seesaw模型中B-L对称性破缺希格斯玻色子的宇宙学约束，表明其与重Majorana中微子的相互作用在重子生成过程中导致轻子不对称性的显著衰减。通过有效场论和全局/局部U(1)_{B-L}情景，研究推导出该标量粒子质量与耦合的严格限制——尤其当其质量轻于重中微子时——并对大型强子对撞机（LHC）的对撞机搜索具有启示意义。

ABSTRACT

In the type-I seesaw mechanism for neutrino masses, there exists a $B-L$ symmetry, whose breaking leads to the lepton number violating mass of the heavy Majorana neutrinos. This would imply the existence of a new neutral scalar associated with the $B-L$ symmetry breaking, analogous to the Higgs boson of the Standard Model. If in such models, the heavy neutrino decays are also responsible for the observed baryon asymmetry of the universe via the leptogenesis mechanism, the new seesaw scalar interactions with the heavy neutrinos will induce additional dilution terms for the heavy neutrino and lepton number densities. We make a detailed study of this dilution effect on the lepton asymmetry in three generic classes of seesaw models with TeV-scale $B-L$ symmetry breaking, namely, in an effective theory framework and in scenarios with global or local $U(1)_{B-L}$ symmetry. We find that requiring successful leptogenesis imposes stringent constraints on the mass and couplings of the new scalar in all three cases, especially when it is lighter than the heavy neutrinos. We also discuss the implications of these new constraints and prospects of testing leptogenesis in presence of seesaw scalars at colliders.

研究动机与目标

• 研究TeV尺度seesaw模型中B-L对称性破缺希格斯玻色子如何通过重子生成过程影响轻子不对称性的产生。
• 从三种模型类别的成功重子生成中推导出新标量粒子质量与耦合的约束：有效场论（EFT）、全局U(1)_{B-L}和局部U(1)_{B-L}。
• 研究seesaw标量对重子生成期间轻子数密度的衰减与重吸收效应。
• 评估这些约束在LHC及未来强子对撞机中的可探测性。
• 提供对标量参数的模型无关约束，且对重子生成机制的细节不敏感。

提出的方法

• 构建B-L对称性破缺的有效的场论（EFT）框架，其中新中性标量与重Majorana中微子耦合。
• 利用包含seesaw标量与重中微子及轻子数相互作用的玻尔兹曼方程，分析对轻子不对称性的衰减与重吸收效应。
• 推导包含新标量对衰变与逆过程贡献的轻子数与重中微子数密度的玻尔兹曼方程。
• 计算由B-L标量介导的重中微子衰变与逆衰变速率，包括相空间效应与热平均。
• 通过玻尔兹曼方程解评估标量对最终轻子不对称性的影响，给出衰减因子的显式表达式。
• 将结果应用于三类模型：EFT、全局U(1)_{B-L}（单态马约拉纳玻色子模型）与局部U(1)_{B-L}（规范模型），在所有模型间进行约束比较。
• 推导标量衰变至右手中微子（RHN）与规范玻色子（如$Z_R$）的分支宽度，以评估动力学阈值约束与对撞机信号特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在TeV尺度seesaw模型中，B-L对称性破缺希格斯玻色子的存在如何影响通过重子生成过程产生的轻子不对称性？
• RQ2 成功重子生成对B-L标量质量与耦合施加的模型无关约束是什么？
• RQ3 在EFT、全局U(1)_{B-L}与局部U(1)_{B-L}情景下，seesaw标量引起的衰减与重吸收效应有何差异？
• RQ4 在何种条件下，标量诱导的衰减效应占主导地位？其在LHC上是否可探测？
• RQ5 B-L标量的对撞机信号特征是什么？其与重子生成成功之间的关联如何？

主要发现

• 由于B-L标量引起的轻子不对称性衰减，对其质量与耦合施加了严格约束，尤其当标量质量轻于重中微子时更为显著。
• 在EFT、全局U(1)_{B-L}与局部U(1)_{B-L}三类模型中，成功重子生成要求B-L标量耦合足够小或其质量足够大，以避免过度重吸收。
• 在局部U(1)_{B-L}模型中，标量与$Z_R$玻色子的耦合及其衰变宽度$Z_R Z_R$受到动力学阈值与分支宽度计算的约束。
• 标量衰变$H_3 \to Z_R Z_R$的分支宽度通过相空间抑制与阈值依赖性推导得出，其中$\theta(m_{H_3} - 2m_{Z_R})$确保动力学有效性。
• 标量衰变至两个右手中微子的宽度由表达式$\frac{m_{H_3}^3}{64\tau v_R^2} \times \text{相空间}$决定，且需满足共振衰变的阈值条件。
• LHC，尤其是高亮度模式，可直接探测右手中微子对的产生与相关标量信号，为重子生成约束提供实验检验平台。