[论文解读] TeV scale double seesaw in left-right symmetric theories

Joydeep Chakrabortty|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用 5

一句话总结

该论文在左右对称模型中提出了一种TeV尺度的双 seesaw 机制，其中轻子中微子质量源于重三重态费米子与右手中微子的相互作用，且其中至少各有一个处于TeV尺度。该模型可通过这些重费米子的衰变实现轻子生成，并预测独特的对撞机信号，使其在LHC和ILC中可通过具有独特电荷构型的多轻子末态进行检验。

ABSTRACT

We extend the Type I and Type III seesaw mechanisms to generate neutrino masses within the left-right symmetric theories where parity is spontaneously broken. We construct a next to minimal left-right symmetric model where neutrino masses are generated through a variant $double$ seesaw mechanism. In our model at least one of the triplet fermions and the right handed neutrinos are at TeV scale and others are heavy. The phenomenological aspects and testability of the TeV scale particles at collider experiments are discussed. The decays of heavy fermions leading to leptogenesis are pointed out.

研究动机与目标

• 在左右对称理论中扩展类型I和III seesaw 机制，以在TeV尺度生成小中微子质量。
• 构建一个次最小的左右对称模型，使三重态费米子和右手中微子均处于或接近TeV尺度，避免对极高能标的依赖。
• 探讨该框架中TeV尺度重费米子的理论可行性与对撞机可检验性。
• 研究通过右手中微子和三重态费米子衰变实现的轻子生成机制，包括圈图诱导的CP不对称性。
• 识别独特的对撞机信号——如净电荷为+2的六轻子、五轻子和四轻子末态——以供实验探测。

提出的方法

• 该模型在左右对称规范群 $SU(2)_L \otimes SU(2)_R \otimes SU(3)_C \otimes U(1)_{B-L}$ 的基础上，引入两个希格斯双态和一个双希格斯双态场，以打破左右对称性。
• 引入右手中微子和三重态费米子作为额外物质场，后者在 $SU(2)_L$ 的伴随表示下变换。
• 通过双 seesaw 机制生成中微子质量：轻中微子质量源于类型I seesaw（右手中微子）与类型III seesaw（三重态费米子）的相互作用，且 seesaw 能标被调节至TeV尺度。
• 利用包含重费米子的一圈自能图和顶点图，计算轻子生成的CP不对称性，其中右手中微子和三重态费米子均贡献。
• 模型包含分层质量谱：$M_{\Sigma_2} < M_{N_2} < M_{\Sigma_1} < M_{N_3}$，从而在CP不对称性中引入额外的圈图贡献。
• 通过结合CP不对称性与效率因子，估算最终的重子不对称性，考虑三重态费米子三个简并组分的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在左右对称模型中实现双 seesaw 机制，使得三重态费米子和右手中微子均处于TeV尺度？
• RQ2 该模型中TeV尺度三重态费米子和右手中微子的对撞机信号特征是什么，特别是在多轻子末态中？
• RQ3 重费米子（包括右手中微子和三重态费米子）的衰变如何贡献于轻子生成，其产生的CP不对称性如何？
• RQ4 在质量分层极限下，自能图与顶点图对CP不对称性的相对贡献是什么？
• RQ5 该模型能否同时解释轻子生成，并通过可观测末态在LHC和ILC中实现可检验性？

主要发现

• 该模型实现了一种子类型的双 seesaw 机制，其中轻中微子质量通过TeV尺度右手中微子与三重态费米子的相互作用生成，避免了对极高能标的依赖。
• 在质量分层极限下，右手中微子衰变产生的CP不对称性为 $\varepsilon_{N_2} = -\frac{3}{16\pi}\frac{M_{N_2}}{M_{N_3}}\frac{\mathrm{Im}[(Y_N Y_N^\dagger)_{23}^2]}{\sum_i |(Y_N)_{2i}|^2}$。
• 由于不同的 $SU(2)_L$ 因子，三重态费米子衰变产生的CP不对称性比右手中微子衰变小三倍，但其热平均衰变宽度因具有三个组分而大三倍。
• 额外的CP不对称性贡献来自涉及 $M_{N_2} < M_{\Sigma_1}$ 和 $M_{\Sigma_2} < M_{N_{j}}$ 的圈图，其表达式 $\varepsilon_{N_2}^{\Sigma_1}$ 和 $\varepsilon_{\Sigma_2}^{N_j}$ 由顶点修正推导得出。
• 该模型预测了独特的对撞机信号：净电荷为+2的六轻子、五轻子和四轻子末态，使其在LHC和ILC中具有高度可检验性。
• TeV尺度重费米子与可行的轻子生成机制共存，使该模型在理论层面丰富且在实验上可探测。