[论文解读] Probing TeV scale origin of neutrino mass at lepton colliders

P. S. Bhupal Dev, Rabindra N. Mohapatra+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本文提出，未来的 $e^+e^-$ 轻子对撞机可探测具有 $B-L$ 对称性的左右对称模型中位于 TeV 能量尺度的标量 sector，重点研究中性 $H_3$ 和双荷 $H^{/pm/pm}$ 希格斯玻色子。研究表明，通过探测如 $e^+e^- \to \mu^\pm \tau^\mp + H_3$ 或 $H^{/pm/pm}$ 对产生等轻子味破坏信号，可探测到分别高达 $10^{-4}$ 和 $10^{-3}$ 的 Yukawa 耦合，远超当前实验探测能力。

ABSTRACT

We point out how future lepton colliders can provide unique insight into the scalar sector of TeV scale models for neutrino masses with local $B-L$ symmetry. Our specific focus is on the minimal TeV scale left-right model, which naturally embeds this $B-L$ symmetry. In particular, we make a detailed study of the lepton collider implications of the neutral ($H_3$) and doubly-charged ($H^{\pm\pm}$) scalars from the right-handed triplet Higgs that is responsible for the spontaneous breaking of the $B-L$ symmetry and implementing the seesaw mechanism. Due to mixing with other scalars, the neutral scalar $H_3$ could acquire sizable flavor violating couplings to the charged leptons. Produced on-shell or off-shell at the planned $e^+e^-$ colliders, it would induce distinct lepton flavor violating signals like $e^+e^- o \mu^\pm au^\mp ~ (+H_3)$, with the couplings probed up to $\sim 10^{-4}$ for a wide range of neutral scalar mass, which is well beyond the reach of current searches for charged lepton flavor violation. The Yukawa couplings of the doubly-charged scalar $H^{\pm\pm}$ to the charged leptons might also be flavor-violating, which is correlated to the heavy right-handed neutrino masses and mixings. With a combination of the pair, single and off-shell production of $H^{\pm\pm}$ like $e^+e^- o H^{++} H^{--},\, H^{\pm\pm} e^\mp \mu^\mp,\, \mu^\pm au^\mp$, the Yukawa couplings can be probed up to $10^{-3}$ at future lepton colliders, which is allowed by current lepton flavor data in a large region of parameter space. For both the neutral and doubly-charged cases, the scalar masses could be probed up to the few-TeV range in the off-shell channel.

研究动机与目标

• 探索未来轻子对撞机探测具有局部 $B-L$ 对称性的 TeV 能量尺度模型中标量 sector 的潜力。
• 研究最小左右对称模型中右手中性粒子三重态 Higgs 玻色子 $H_3$ 和 $H^{\pm\pm}$ 的现象学。
• 评估 $e^+e^-$ 对撞机在探测这些标量与带电轻子之间味破坏耦合方面的探测能力。
• 确定对撞机搜索在共振态、非共振态及单态产生模式下对标量质量与 Yukawa 耦合的敏感度。

提出的方法

• 分析具有 $B-L$ 对称性的最小 TeV 能量尺度左右对称模型，重点关注右手中性粒子三重态 Higgs sector。
• 研究 $H_3$ 与其他标量之间的混合效应，这些效应可产生对带电轻子的味破坏耦合。
• 评估在 $e^+e^-$ 对撞机中通过 $e^+e^- \to H_3 + \mu^\pm \tau^\mp$ 和 $e^+e^- \to H^{++}H^{--}$ 等过程实现的 $H_3$ 和 $H^{\pm\pm}$ 的共振态与非共振态产生。
• 利用 $H^{\pm\pm}$ Yukawa 耦合与重右手中性子质量之间的关联，约束味破坏相互作用。
• 应用对撞机现象学技术，估算在不同产生通道中对 Yukawa 耦合与标量质量的探测敏感度。
• 评估未来对撞机通过非共振态产生实现探测标量质量达数 TeV 范围的能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来的 $e^+e^-$ 对撞机能否探测中性标量 $H_3$ 与带电轻子之间味破坏耦合，超越当前实验限制？
• RQ2 轻子对撞机对双荷标量 $H^{\pm\pm}$ 的 Yukawa 耦合敏感度如何？其与右手中性子质量有何关联？
• RQ3 非共振态产生 $H_3$ 和 $H^{\pm\pm}$ 在多大程度上可扩展标量质量测量的探测范围？
• RQ4 与其他标量的混合效应如何影响 $H_3$ 和 $H^{\pm\pm}$ 耦合的味结构？
• RQ5 未来轻子对撞机可探测的 $H_3$ 和 $H^{\pm\pm}$ 的最大 Yukawa 耦合尺度是多少？

主要发现

• 中性标量 $H_3$ 可介导轻子味破坏过程，如 $e^+e^- \to \mu^\pm \tau^\mp + H_3$，其耦合可探测至 $\sim 10^{-4}$ 量级。
• 由于与其他标量的混合，$H_3$ 的味破坏耦合得以产生，使其可通过 $e^+e^-$ 对撞机的共振态或非共振态产生被探测。
• 双荷标量 $H^{\pm\pm}$ 可通过成对产生、单态产生或非共振态模式产生，从而实现对其 Yukawa 耦合高达 $10^{-3}$ 的探测。
• $H^{\pm\pm}$ 的 Yukawa 耦合与重右手中性子质量及混合参数相关，为 seesaw 机制参数提供了联系。
• 对 $H_3$ 和 $H^{\pm\pm}$ 的非共振态产生可实现对数 TeV 范围内标量质量的探测敏感度。
• 未来轻子对撞机的综合探测能力远超当前对带电轻子味破坏的限制，尤其在 $H_3$ 和 $H^{\pm\pm}$ 耦合方面，提升达数个数量级。