[论文解读] Linking radiative seesaw-type mechanism of fermion masses and non-trivial quark mixing with the 750 GeV diphoton excess

Carolina Arbeláez, A. E. Cárcamo Hernández+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 20

一句话总结

本文提出了一种通过 $S_4 \otimes Z_2 \otimes Z_{12}$ 对称性扩展的预测性惰性2HDM，引入了奇异带电费米子和一个右手中性流Majorana中微子。该模型通过奇异费米子构成的三角形圈图，使一个单态标量衰变为光子，从而解释750 GeV双光子过剩现象；同时，通过单圈机制生成了层次化的费米子质量与混合，并在树图和单圈层次上实现了辐射 seesaw 中微子质量。

ABSTRACT

We propose a predictive inert 2 Higgs doublet model, where the Standard Model (SM) symmetry is extended by $S_{4}\otimes Z_{2}\otimes Z_{12}$ and the field content is enlarged by extra scalar fields, charged exotic fermions and one heavy righthanded Majorana neutrino. Our model successfully explains the $750$ GeV diphoton excess recently registered at the LHC as well as the observed SM fermion mass and mixing pattern. This excess with respect to the SM Higgs diphoton decay arises from the decay of a singlet scalar field neutral under the symmetries of the model. It decays into gluon and photon pairs via the triangular loop with the internal charged exotic fermions. The latter also generate a nontrivial quark mixing and provide one-loop-level masses for the first- and second-generation charged fermions. The masses of the light active neutrinos are generated from a combination of tree level type-I and one loop-level radiative seesaw mechanisms.

研究动机与目标

• 在标准模型的最小但可预测的扩展中，解释大型强子对撞机（LHC）观测到的750 GeV双光子过剩现象。
• 通过单圈机制，同时解释标准模型费米子的层次质量与非平凡混合模式。
• 通过树图类型-I seesaw与单圈辐射 seesaw机制的结合，生成轻的活性中微子质量。
• 在一个统一的对称框架内，统一解释费米子质量、混合以及双光子共振的起源。

提出的方法

• 引入一个通过 $S_4 \otimes Z_2 \otimes Z_{12}$ 全局对称性扩展的惰性2Higgs双态模型，以保护标量势和费米子相互作用。
• 假设存在一种带电奇异费米子，通过三角形圈图介导单态标量衰变为双光子。
• 利用相同的奇异费米子，通过单圈机制生成第一代与第二代带电费米子的质量，重现观测到的夸克与轻子质量层次。
• 引入一个重的右手中性流Majorana中微子，以实现树图类型-I seesaw和单圈辐射 seesaw 对轻中微子质量的贡献。
• 确保单态标量在所有规范对称性和全局对称性下为中性，从而可通过含奇异费米子的圈图诱导耦合衰变为 $\gamma\gamma$ 和 $gg$。
• 构建一个保持对称性的标量势和Yukawa相互作用，保证真空稳定，同时具有一个轻的Higgs玻色子和一个750 GeV共振态。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准模型的对称扩展中，是否可以通过奇异带电费米子参与的圈图，使单态标量衰变为光子，从而解释750 GeV双光子过剩现象？
• RQ2 相同的奇异费米子如何能在单圈层次上同时生成第一代与第二代带电费米子的层次质量？
• RQ3 右手中性流Majorana中微子在通过树图与单圈混合 seesaw 机制生成轻活性中微子质量的过程中起到什么作用？
• RQ4 是否可能在一个具有一致全局对称结构的单一、可预测模型中，统一解释双光子过剩、费米子质量生成与中微子质量生成？

主要发现

• 750 GeV双光子过剩现象可通过一个单态标量通过奇异费米子构成的三角形圈图衰变为 $\gamma\gamma$ 来解释，其衰变宽度与LHC数据一致。
• 相同的奇异费米子通过单圈机制生成第一代与第二代带电费米子的质量，重现了观测到的质量层次模式。
• 轻的活性中微子质量源于树图类型-I seesaw与单圈辐射 seesaw 机制的结合，为小中微子质量提供了自然解释。
• 该模型实现了具有 $S_4 \otimes Z_2 \otimes Z_{12}$ 对称性的可预测框架，确保了标量势的稳定性且无味改变中性流过程。
• 标量谱包含一个750 GeV共振态，其在所有对称性下为中性，并通过含奇异费米子的圈图与光子和胶子耦合。
• 该模型成功地在一个统一的对称框架内，统一解释了双光子过剩、费米子质量生成与中微子质量生成的起源。