[论文解读] Neutrinophilic two Higgs doublet model with $U(1)$ global symmetry

Kingman Cheung, Hiroshi Okada+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种具有U(1)全局对称性的中微子亲和型两希格斯双重模型，其中第二重希格斯双重子通过包含奇异费米子的单圈辐射修正获得极小的真空期望值（VEV）。该机制自然地生成了小的活性中微子质量，而无需精细调节的Yukawa耦合，并预测了在未来环形对撞机（FCC）可探测到的GeV尺度的惰性中微子，为中微子质量生成和标准模型之外的物理学提供了一个可检验的框架。

ABSTRACT

We propose a neutrinophilic two-Higgs-doublet model, where the vacuum expectation value (VEV) of the second Higgs doublet is only induced at one-loop level via several neutral fermions. Thus, the masses of active neutrinos arising from the Higgs doublets are naturally small via such a tiny VEV. We discuss various phenomenology of the model, including the neutrino masses and oscillations, bounds on non-unitarity, lepton-flavor violations, the oblique parameters, the muon anomalous magnetic moment, the GeV-scale sterile neutrino candidate arising from the tiny VEV, and collider signatures. We finally discuss the possibility of detecting the sterile neutrino suggested in the experiment of Future Circular Collider (FCC).

研究动机与目标

• 在不依赖精细调节Yukawa耦合的前提下，解释活性中微子的微小质量。
• 通过引入U(1)全局对称性和奇异费米子，扩展两希格斯双重模型（THDM），利用圈效应生成第二希格斯双重子的极小VEV。
• 从中微子振荡、轻子味违反、斜率参数以及μ子g−2等方面探索模型的实验约束。
• 识别由极小VEV诱导的可行GeV尺度惰性中微子候选者，并评估其在FCC等未来对撞机中的可探测性。
• 提供一个可检验的模型，其中惰性中微子的可探测性显著高于规范 seesaw 模型，原因在于其20×20的混合矩阵较大。

提出的方法

• 引入一个具有奇异费米子（狄拉克型和马约拉纳型）以及单态标量场的U(1)全局对称性，以介导第二希格斯双重子的圈诱导VEV。
• 构建包含标准模型型希格斯双重子（Φ₁）、惰性双重子（Φ₂）和奇异费米子的Yukawa相互作用拉格朗日量，其中第二重子的VEV在单圈水平上生成。
• 利用包含奇异费米子的单圈费曼图计算辐射生成的v₂（即Φ₂的VEV），确保其自然地保持极小。
• 推导出中微子质量、轻子味违反过程（如μ→eγ）、斜率参数（S, T, U）以及μ子反常磁矩（g−2）的解析表达式。
• 利用中微子振荡数据、LFV限制、斜率参数和g−2的约束进行数值分析，以确定可行的参数空间。
• 通过其混合和衰变模式评估在LHC的对撞机信号以及在FCC中探测惰性中微子的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在THDM的U(1)对称扩展中，第二希格斯双重子的极小真空期望值是否可通过单圈修正自然生成？
• RQ2 该模型是否能成功重现观测到的中微子振荡数据和非幺正性约束，同时满足轻子味违反和斜率参数的限制？
• RQ3 由极小VEV诱导的惰性中微子态的质量和混合模式为何？其在FCC等未来对撞机中是否可探测？
• RQ4 该模型是否能同时容纳测量到的μ子g−2异常以及其他精确电弱可观测量？
• RQ5 与规范seesaw模型相比，20×20的中性费米子混合矩阵如何影响惰性中微子的理论物理和可探测性？

主要发现

• 第二希格斯双重子的真空期望值（v₂）通过奇异费米子圈图在单圈水平上生成，自然地导致一个极小的值，从而解释了活性中微子质量的微小性。
• 该模型满足所有来自中微子振荡数据、轻子味违反（如μ→eγ）、斜率参数（S, T, U）以及μ子g−2的约束，其中后者受到负贡献影响，可能需要进一步调谐。
• 预测了一个质量在20–50 GeV范围、混合角平方θₛ² ≈ 10⁻¹²至10⁻¹¹的GeV尺度惰性中微子，处于FCC实验的探测范围内。
• 满足所有实验限制的惰性中微子区域在FCC中可被探测，由于20×20的混合矩阵较大，其可探测性显著优于规范seesaw模型。
• 该模型预测在LHC中可通过涉及奇异带电费米子（E′）的Drell-Yan过程产生可观测信号，且U(1)对称性的戈戈斯玻色子G可能通过早期宇宙相变产生的引力波被探测。
• 当引入额外的惰性双重子时，该模型仍与暗物质约束一致，可能存在的500 GeV暗物质候选者。