[论文解读] Strong CP Problem, Neutrino Masses and the 750 GeV Diphoton Resonance

Qing-Hong Cao, Shao‐Long Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 54

一句话总结

本文提出一个左-右对称的 $SU(3)_c \times SU(2)_L \times SU(2)_R \times U(1)_L \times U(1)_R$ 模型，该模型实现了费米子质量的普遍 seesaw 机制，通过离散宇称对称性解决强 CP 问题，并通过一个混合 CP 偶单态希格斯 boson 解释 750 GeV 二光子共振。该共振来自包含向量型夸克和轻子的圈图衰变，其二光子衰变宽度在广泛的参数范围内与观测结果一致。

ABSTRACT

We present an $SU(3)^{}_{c} imes SU(2)^{}_{L} imes SU(2)^{}_{R} imes U(1)_{L}^{} imes U(1)_{R}^{} ightarrow SU(3)^{}_{c} imes SU(2)^{}_{L} imes SU(2)^{}_{R} imes U(1)^{}_{B-L}$ left-right symmetric model with a discrete parity symmetry to realize a universal seesaw scenario. The model can simultaneously solve the strong CP problem without resorting to the unobserved axion and explain the 750 GeV diphoton resonance reported recently by the ATLAS and CMS collaborations at the LHC. Owing to large suppressions in the two-loop induced Dirac mass terms, the Majorana mass matrices of left- and right-handed neutrinos naturally share the same structure. That allows us to quantitatively study the neutrinoless double beta decay induced by the right-handed currents.

研究动机与目标

• 通过在左-右对称模型中引入离散宇称对称性，无需引入轴子即可解决强 CP 问题。
• 通过一个 CP 偶单态希格斯玻色子解释大型强子对撞机（LHC）ATLAS 和 CMS 实验观测到的 750 GeV 二光子共振。
• 利用向量型单态费米子和三重态希格斯标量，在左-右对称框架中实现带电费米子和中微子质量的普遍 seesaw 机制。
• 通过自然对齐的马约拉纳质量矩阵，定量研究由右手中微子流引起的无中微子双贝塔衰变。

提出的方法

• 引入具有 $U(1)_L \times U(1)_R$ 规范荷的 $SU(2)$-单态向量型费米子（U, D, E），以实现夸克和轻子质量的普遍 seesaw。
• 通过 $SU(2)$-单态希格斯标量实现自发对称性自发破缺 $U(1)_L \times U(1)_R \to U(1)_{B-L}$，从而生成向量型费米子的质量。
• 引入两个 $SU(2)$-三重态希格斯标量，通过类型-II seesaw 机制生成左、右手中微子的马约拉纳质量。
• 通过带电规范玻色子和费米子，将狄拉克中微子质量项抑制到两圈图层次，确保左、右手中微子马约拉纳质量矩阵之间的对齐。
• 利用混合 CP 偶单态希格斯态 $H = \cos\theta H_U + \sin\theta H_E$ 介导 $gg \to H \to \gamma\gamma$ 过程，以解释 750 GeV 共振。
• 通过费米子圈图贡献和混合角 $\cos\theta$ 依赖的圈图宽度 $\Gamma(H \to gg)$ 和 $\Gamma(H \to \gamma\gamma)$ 计算二光子截面。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有离散宇称对称性的左-右对称模型中，是否可以在不引入轴子的情况下解决强 CP 问题？
• RQ2 750 GeV 二光子共振是否可以通过耦合到向量型夸克和轻子的 CP 偶单态希格斯玻色子来解释？
• RQ3 在具有 $U(1)_L \times U(1)_R$ 规范对称性的左-右对称框架中，如何一致地实现普遍 seesaw 机制？
• RQ4 两圈图抑制在对齐左、右手中微子马约拉纳质量矩阵中起什么作用？
• RQ5 该模型能否定量预测通过右手中微子流引起的无中微子双贝塔衰变的衰变率？

主要发现

• 750 GeV 二光子共振可通过混合角 $\cos\theta \in (0.1, 0.95)$ 解释，与观测到的 6–10 fb 截面一致。
• 该模型预测 $\Gamma(H \to Z\gamma) \sim 0.6 \Gamma(H \to \gamma\gamma)$，与当前实验约束相符。
• 狄拉克中微子质量项被抑制到两圈图层次，导致左、右手中微子马约拉纳质量矩阵具有相同的结构。
• 左、右手中微子的马约拉纳质量矩阵自然对齐，使得能够定量研究右手中微子流对无中微子双贝塔衰变的贡献。
• 通过离散宇称对称性解决了强 CP 问题，无需引入轴子。
• 该模型预测向量型夸克质量为 $m_U \approx 884~\text{GeV}$ 和 $m_E \approx 619~\text{GeV}$，与 ATLAS 直接搜寻约束一致。