[论文解读] On the stability of the electroweak vacuum in the presence of low-scale seesaw models

Luigi Delle Rose, C. De Marzo+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 40被引用 6

一句话总结

本文研究了低标度 seesaw 模型——其中 Yukawa 耦合较大且右手中微子位于电弱标度附近——如何通过跑动的规范场论演化影响电弱真空的稳定性。研究发现，满足 $ ext{Tr}(Y_u^ u Y_u) \gtrsim 0.4$ 的 Yukawa 耦合被真空稳定性约束所排除，这对轻子味破坏和无中微子双贝塔衰变具有强烈影响。

ABSTRACT

The scale of neutrino masses and the Planck scale are separated by more than twenty-seven order of magnitudes. However, they can be linked by imposing the stability of the electroweak (EW) vacuum. The crucial ingredient is provided by the generation of neutrino masses via a seesaw mechanism triggered by Yukawa interactions between the standard model (SM) Higgs and lepton doublets and additional heavy right-handed neutrinos. These neutrinos participate to the renormalization group (RG) running of the dimensionless SM couplings, affecting their high-energy behavior. The Higgs quartic coupling is dragged towards negative values, thus altering the stability of the EW vacuum. In the usual type-I seesaw model, this effect is too small to be a threat since, in order to comply with low-energy neutrino data, one is forced to consider either too small Yukawa couplings or too heavy right-handed neutrinos. In this paper we explore this general idea in the context of low-scale seesaw models. These models are characterized by sizable Yukawa couplings and right-handed neutrinos with mass of the order of the EW scale, thus maximizing their impact on the RG flow. As a general result, we find that Yukawa couplings such that ${ m Tr}(Y_{ u}^†Y_{ u}) \gtrsim 0.4$ are excluded. We discuss the impact of this bound on several observables, with a special focus on the lepton flavor violating process $\mu o e\gamma$ and the neutrino-less double beta decay.

研究动机与目标

• 通过跑动的规范场论演化，评估低标度 seesaw 模型对电弱真空稳定性的影响。
• 确定电弱真空稳定性要求对 Yukawa 耦合施加的约束。
• 探讨这些约束对轻子味破坏过程和无中微子双贝塔衰变的理论后果。
• 识别在真空稳定性标准下仍可接受的 seesaw 模型参数空间。

提出的方法

• 分析标准模型耦合的跑动方程（RGEs），包括 seesaw 机制中重右手中微子的贡献。
• 计算在低标度 seesaw 模型中大 Yukawa 耦合影响下 Higgs 四次耦合的跑动行为。
• 使用 Yukawa 耦合矩阵的迹，$\text{Tr}(Y_u^\dagger Y_u)$，作为量化 seesaw 贡献强度的关键可观测量。
• 应用从高能下 Higgs 电位行为推导出的真空稳定性边界，以约束 seesaw 参数。
• 在推导出的约束下，评估对轻子味破坏过程（如 $\mu \to e\gamma$）和无中微子双贝塔衰变（$0\nu\beta\beta$）的影响。
• 将结果与低能中微子数据进行比较，以确保与观测到的中微子质量一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 低标度 seesaw 模型中较大的 Yukawa 耦合如何影响 Higgs 四次耦合的跑动？
• RQ2 在保持电弱真空稳定性的前提下，$\text{Tr}(Y_u^\dagger Y_u)$ 的最大允许值是多少？
• RQ3 Higgs 电位的真空稳定性约束如何影响轻子味破坏的理论物理？
• RQ4 这些约束对无中微子双贝塔衰变速率有何影响？
• RQ5 当同时施加真空稳定性与低能中微子数据时，seesaw 参数空间的哪些区域仍可接受？

主要发现

• 满足 $\text{Tr}(Y_u^\dagger Y_u) \gtrsim 0.4$ 的 Yukawa 耦合被电弱真空稳定性要求所排除。
• 由于大 Yukawa 耦合的重右手中微子的跑动效应，Higgs 四次耦合被驱动至负值。
• 具有显著 Yukawa 耦合和电弱标度右手中微子的低标度 seesaw 模型会显著破坏电弱真空的稳定性。
• 真空稳定性约束强烈抑制了与轻子味破坏过程（如 $\mu \to e\gamma$）相关的参数空间。
• $\text{Tr}(Y_u^\dagger Y_u)$ 的约束也影响了无中微子双贝塔衰变的速率，降低了其在当前及未来实验中可观测的可能性。
• 结果表明，可行的低标度 seesaw 模型必须具有更小的 Yukawa 耦合或更重的右手中微子，而非以往所考虑的参数范围。