[论文解读] Radiative Neutrino Model with Inert Triplet Scalar

Hiroshi Okada, Yuta Orikasa|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 10

一句话总结

本文提出了一种在一般 U(1)Y 规范对称性下具有惰性同位旋三重态标量的单圈辐射中微子模型，其中中微子质量通过涉及三重态和奇异费米子的圈图产生。该模型同时解释了极小的中微子质量、μ子反常磁矩、轻子味破坏以及一种类单重态的玻色子暗物质候选者，关键结果表明：当 $m=3$ 时，$Δ a_μ \sim 2\times10^{-11}$，$R_{Τ} \sim 10^{-15}$，未来实验可检验。

ABSTRACT

We study a one-loop induced radiative neutrino model with an inert isospin triplet scalar field, in which we discuss current neutrino oscillation data, lepton flavor violations, muon anomalous magnetic moment, and a dark matter candidate. We show global analysis combining all the constraints, and briefly mention another possibility.

研究动机与目标

• 构建一个包含惰性同位旋三重态标量的最小辐射中微子质量模型，避免树图级轻子味破坏。
• 统一解释极小的中微子质量、μ子反常磁矩（$g-2$）、轻子味破坏（LFV）以及一种玻色子暗物质候选者。
• 在当前中微子振荡、LFV 过程、$g-2$ 和直接探测的约束下，探索该模型的理论可行性。
• 识别三重态标量通过奇异带电轻子衰变为同号 dilepton + 缺失能量的 LHC 特征信号。
• 确定与宇宙学和对撞机约束一致所需的新的物理尺度和耦合强度。

提出的方法

• 引入一个复数惰性同位旋三重态标量 $\Delta$，其超荷为 $(1+N)/2$，其中 $N$ 为奇数，并引入一个超荷为 $(-1+N)/2$ 的单重态标量 $S$，通过保留 $Z_2$ 对称性确保暗物质稳定。
• 通过 $L'$、$\Delta$ 和 $L_L$ 之间的 $y_\Delta$ 雅克比耦合实现单圈中微子质量机制，生成单圈阶的马约拉纳质量。
• 引入 $L'$、$S$ 和 $L_L$ 之间的雅克比耦合 $y_L$，通过带电标量圈图介导 LFV 过程和 $g-2$ 贡献。
• 利用标量势稳定真空，并确保 SM 希格斯是唯一具有真空期望值的场。
• 对参数进行全局数值扫描，包括 $M_{\Psi^{\pm}}$、$M_X$（暗物质质量）和 $y_\Delta$，以检验与 $\mu-e$ 转换、$g-2$、遗迹密度和直接探测的兼容性。
• 分析衰变链如 $\Psi^{3\pm} \to \Psi^{2\pm} \to S^{2\pm} \to 2\ell^\pm$，确保所有奇异态在 $m=1,2,3$ 时衰变为 SM 场，而不产生额外奇异粒子。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有惰性同位旋三重态标量的单圈辐射中微子模型能否同时解释中微子质量、μ子反常磁矩、轻子味破坏以及可行的暗物质候选者？
• RQ2 当前实验对 $\mu-e$ 转换、$g-2$ 和直接暗物质探测的约束对模型参数有何限制？
• RQ3 该模型对 $\Delta a_\mu$ 的预测如何随超荷量子数 $m = (1+N)/2$ 变化？
• RQ4 该模型的三重态标量在同号 dilepton + 缺失能量末态中具有哪些独特的 LHC 签名？
• RQ5 当 $m \geq 4$ 时，是否可能实现显著的 $\Delta a_\mu$，同时确保所有奇异态衰变为 SM 或暗物质态？

主要发现

• 当 $m=3$ 时，模型预测 $\Delta a_\mu \sim 2\times10^{-11}$，处于实验偏差范围内，但仍低于当前实验值。
• 当 $m=1$ 时，由于遗迹密度约束，暗物质质量被限制在 $1.7\ \text{TeV} \leq M_X \leq 2.6\ \text{TeV}$，排除共振点。
• 对于 $m=2,3$，钛中的最小 $\mu-e$ 转换率约为 $R_{\text{Ti}} \sim 10^{-15}$，处于未来实验目标 $10^{-18}$ 灵敏度的可探测范围内。
• 当 $m=1$ 时，$\mu-e$ 转换率低至 $R_{\text{Ti}} \sim 10^{-16}$，与当前约束一致，并可在即将开展的实验中检验。
• 当 $m \geq 4$ 时，若引入额外奇异场（如 $h^\pm$、$k^{2\pm}$）以允许三重态态衰变为 SM 场，则可实现显著的 $\Delta a_\mu$。
• 该模型具有独特的 LHC 签名：来自 $\Psi^{3\pm} \to \Psi^{2\pm} \to S^{2\pm} \to 2\ell^\pm}$ 的同号 dilepton + 缺失能量，其中 $y_\Delta$ 耦合可能大于类型-II seesaw 模型，因无树图级 LFV。