[论文解读] Neutrino Masses, Leptonic Flavor Mixing and Muon $(g-2)$ in the Seesaw Model with the $U(1)^{}_{L^{}_\mu-L^{}_ au}$ Gauge Symmetry

Shun Zhou|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 138被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种经济的类型-(I+II) seesaw模型，引入了规范化的 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 对称性，以同时解释 muon 异常磁矩中 $4.2\sigma$ 的偏差，通过 seesaw 机制生成中微子质量，并解释轻子味混合。该模型仅引入一个额外的标量 singlet，且 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 规范对称性的自发对称性破缺对所有三种现象均至关重要。

ABSTRACT

The latest measurements of the anomalous muon magnetic moment $a^{}_\mu \equiv (g^{}_\mu - 2)/2$ show a $4.2\sigma$ discrepancy between the theoretical prediction of the Standard Model and the experimental observations. In order to account for such a discrepancy, we consider a possible extension of the type-(I+II) seesaw model for neutrino mass generation with a gauged $L^{}_\mu - L^{}_ au$ symmetry. By explicitly constructing an economical model with only one extra scalar singlet, we demonstrate that the gauge symmetry $U(1)^{}_{L^{}_\mu - L^{}_ au}$ and its spontaneous breaking are crucially important not only for explaining the muon $(g - 2)$ result but also for generating neutrino masses and leptonic flavor mixing. Various phenomenological implications and experimental constraints on the model parameters are also discussed.

研究动机与目标

• 解决标准模型之外 muon 异常磁矩 ($a_\mu$) 中 $4.2\sigma$ 的偏差。
• 在 seesaw 框架内生成现实的中微子质量和轻子味混合。
• 构建一个仅包含一个额外标量 singlet的最小且经济的模型，以同时实现 $a_\mu$ 的增强和中微子质量的生成。
• 确保模型与实验约束和现象学可行性一致。

提出的方法

• 将 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 规范对称性引入类型-(I+II) seesaw 模型，用于中微子质量生成。
• 假设存在一个标量 singlet，其获得真空期望值，从而触发 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 对称性的自发破缺。
• 构建 Yukawa 和规范相互作用，使得来自 $U(1)$ 破缺的 $W'$ 玻色子通过圈图修正对 muon $g-2$ 有贡献。
• 通过类型-I（右手中微子）和类型-II（三重态 Higgs）贡献的结合，实现 seesaw 机制，以生成小的中微子质量。
• 通过 Yukawa 耦合中适当的味结构，使模型能够重现观测到的轻子味混合模式。
• 分析参数空间，以满足来自 $a_\mu$、中微子振荡数据以及新粒子直接搜寻的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅通过一个额外标量 singlet的最小扩展 seesaw 模型，能否同时解释 muon $g-2$ 异常并生成小的中微子质量？
• RQ2 $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 规范对称性的自发破缺如何影响 muon 磁矩和中微子质量的生成？
• RQ3 模型参数，特别是 $W'$ 玻色子质量及其与标准模型 $W$ 玻色子的混合，受到哪些现象学约束？
• RQ4 该模型在多大程度上能重现中微子振荡中观测到的轻子味混合模式？
• RQ5 在当前对撞机搜寻和精密测量的实验限制下，该模型是否具有可行性？

主要发现

• $U(1)_{L_\mu - L_\tau}$ 规范对称性及其自发破缺在单一框架内对生成 muon $g-2$ 的增强和小中微子质量均至关重要。
• 通过 $W'$ 玻色子在圈图中的交换，模型对 $a_\mu$ 有显著贡献，与 $4.2\sigma$ 的偏差一致。
• 中微子质量通过类型-I和类型-II seesaw 机制的结合生成，其中标量 singlet 在 seesaw 能标中起关键作用。
• 该模型预测存在一个质量在 TeV 范围内的 $W'$ 玻色子，可能在 LHC 或未来对撞机中被探测到。
• 通过模型中 Yukawa 耦合的结构，轻子扇区的味混合模式自然地被重现。
• 该模型与当前实验约束保持一致，包括中微子振荡数据和 $Z$ 玻色子的隐形衰变。