[论文解读] Radiative neutrino mass in an alternative $U(1)_{B-L}$ gauge symmetry

Takaaki Nomura, Hiroshi Okada|arXiv (Cornell University)|May 23, 2017

Neutrino Physics Research被引用 10

一句话总结

该论文提出了一种基于替代 $U(1)_{B-L}$ 规范对称性的辐射中微子质量模型，其中右手中微子具有非平凡的电荷，中微子质量在单圈图中通过奇异标量和费米子圈产生。残余 $Z_2$ 对称性确保了暗物质的稳定性，且该模型通过 $Z'$ 和戈尔德斯通玻色子（GB）介导的湮灭过程，成功拟合了中微子振荡数据、轻子味破坏约束以及观测到的暗物质丰度。

ABSTRACT

We propose a neutrino model in which neutrino masses are generated at one loop level and three right-handed fermions have non-trivial charges under $U(1)_{B-L}$ gauge symmetry in no conflict with anomaly cancellation. After the spontaneously symmetry breaking, a remnant $Z_2$ symmetry is induced and plays an role in assuring the stability of dark matter candidate.

研究动机与目标

• 构建一种基于右手中微子非平凡 $U(1)_{B-L}$ 电荷分配的辐射中微子质量模型。
• 在确保异常抵消并保持规范不变性的同时，实现中微子质量在单圈图中生成。
• 在 $U(1)_{B-L}$ 自发对称性自发破缺后，通过残余 $Z_2$ 对称性稳定一个费米子型暗物质候选者。
• 通过 $Z'$ 和戈尔德斯通玻色子介导的湮灭过程，拟合中微子振荡数据、轻子味破坏约束以及观测到的暗物质丰度。

提出的方法

• 引入三个右手中微子，其 $U(1)_{B-L}$ 电荷为 $-4, -4, 5$，以抵消异常并允许单圈中微子质量生成。
• 假设两个标准模型单态标量场 $\varphi_1, \varphi_2$ 具有非零的 $U(1)_{B-L}$ 电荷，以实现对称性破缺并产生物理戈尔德斯通玻色子（GB）。
• 引入惰性双态和单态标量（$\eta$, $s$），通过包含 $N_{R_i}$ 和标量态的圈图，介导单圈中微子质量生成。
• 利用包含 $N_{R_i}$ 和标量传播子的单圈自能图推导中微子质量矩阵，确保 $\mu$-项被抑制。
• 通过涉及 $M'_{11}$、$v'_{\varphi_2}$ 和 $M_X$ 的截面公式，计算暗物质费米子 $X$ 的丰度，包括 $XX \to Z'$ 和 $XX \to 2\text{GB}$ 过程。
• 进行全局分析和基准点分析，以约束 Yukawa 耦合、$Z'$ 质量和 $M_X$，使其满足中微子数据、LFV 约束和 $\Omega h^2$。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否构建一种具有非平凡 $U(1)_{B-L}$ 电荷分配的辐射中微子质量模型，以避免树图中微子质量生成？
• RQ2 在 $U(1)_{B-L}$ 自发破缺后，如何通过诱导出的残余 $Z_2$ 对称性稳定一个费米子型暗物质候选者？
• RQ3 在哪些可行参数区域内，该模型能够重现中微子振荡数据、满足轻子味破坏约束并达到正确的暗物质丰度？
• RQ4 $Z'$ 和戈尔德斯通玻色子介导的湮灭过程如何贡献于暗物质丰度？允许的质量范围是什么？

主要发现

• 该模型通过包含 $N_{R_i}$、$\eta$ 和 $s$ 的圈图实现单圈中微子质量生成，Yukawa 耦合量级为 $\mathcal{O}(0.01)$，可拟合中微子振荡数据。
• 在 $U(1)_{B-L}$ 破缺后，残余 $Z_2$ 对称性稳定了最轻的中性费米子 $X$，使其成为可行的暗物质候选者。
• 当 $m_{Z'} \sim 2M_X$ 时，通过 $Z'$ 介导的湮灭过程再现了观测到的暗物质丰度，表明存在共振增强效应。
• 在较低 $M_X$ 时，戈尔德斯通玻色子（GB）模式对丰度贡献显著，尤其当 $M_X \lesssim 100$ GeV 且 $|M'_{11}| \gtrsim 150$ GeV 时。
• Yukawa 耦合对暗物质可忽略，因此暗物质丰度的主要贡献来自 $Z'$ 和 GB 介导的湮灭，而非直接 Yukawa 相互作用。
• 该模型满足 LEP 对 $g_{BL}/m_{Z'} \leq 1/(7\,\text{TeV})$ 的限制，其中 $v'_1 \sim 66\,\text{TeV}$ 且 $v'_2 = 500\,\text{GeV}$，与 $v'_2 \ll v'_1$ 一致。