[论文解读] The Simplest Models of Radiative Neutrino Mass: Excluding Simplified Zee Models and Beyond

Sandy S. C. Law, Kristian L. McDonald|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 17被引用 13

一句话总结

本文通过最小化原则（最少的新场、无任意对称性、最少自由参数）识别并评估了最简单的辐射中微子质量模型。提出了两个新的极小模型——分别包含一个带电单重态和一个三重态或双重态标量——但最终基于当前中微子质量与混合数据将其全部排除。Zee模型与Zee-Babu模型仍是唯一可行的两场辐射中微子质量模型。

ABSTRACT

The complexity of radiative neutrino-mass models can be judged by: (i) whether they require the imposition of ad hoc symmetries, (ii) the number of new multiplets they introduce, and (iii) the number of arbitrary parameters that appear. Adopting the view that the imposition of arbitrary new symmetries is the least appealing approach, the simplest models have two new multiplets and a minimal number of new parameters. With this in mind, we search for the simplest models of radiative neutrino mass. We are lead to two new models, containing a real scalar triplet and a charged scalar doublet (respectively), in addition to the charged singlet scalar considered by Zee [h^+\sim(1,1,2)]. The new models are essentially simplified versions of the Zee model and appear to be \emph{the simplest} models of radiative neutrino mass. However, these models are only of pedagogical interest; despite successfully generating nonzero masses, present-day data is sufficient to rule them out. The lessons learned from these models also enable one to exclude a more general class of radiative models. Moving beyond the minimal cases, we find a new model of two-loop masses that employs the charged doublet Φ\sim(1,2,3) and the doubly-charged scalar k^{++}\sim(1,1,4).

研究动机与目标

• 通过最小化标准（最少的新场、无任意对称性、最少参数）识别最简单的辐射中微子质量可行模型。
• 基于复杂性对辐射中微子质量模型进行系统分类，并利用当前实验数据评估其可行性。
• 排除那些虽理论上有吸引力但与观测到的中微子质量与混合参数不一致的极小模型候选。
• 证明仅基于质量与混合约束，当前数据即可排除整个类别的辐射中微子质量模型。
• 探讨排除极小模型对辐射中微子质量整体情景及紫外完成方案的影响。

提出的方法

• 基于三项标准建立复杂性评估框架：对任意对称性的依赖、新新标准模型（BSM）多重态的数量，以及自由参数的数量。
• 识别所有仅含两个BSM多重态且无需任意对称性的辐射中微子质量模型，从而发现两个新模型：一个含带电三重态，一个含带电双重态。
• 利用中微子质量与混合数据对这些模型进行现象学分析，检验其与实验约束的一致性。
• 将分析扩展至更广范围的模型，包括标量场变换为(1,4,1)的广义Zee模型，并表明这些模型同样被数据排除。
• 使用费曼图（如图7）说明被排除模型的通用结构，其中W玻色子或标量交换介导了味不变的中微子质量生成。
• 与先前工作（特别是参考文献[17]）进行比较，澄清因简化标准不同（尤其是该工作中偏好有色场）而产生的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些仅需两个新BSM多重态且无任意对称性的辐射中微子质量模型是最小的？
• RQ2 最简单的此类模型能否被当前中微子质量与混合数据排除？
• RQ3 仅基于质量与混合约束，可被排除的辐射中微子质量模型的更广范围是什么？
• RQ4 为何含带电单重态与三重态或双重态标量的模型尽管结构简单，仍无法匹配实验数据？
• RQ5 排除结果如何影响辐射中微子质量作为生成小中微子质量机制的可行性？

主要发现

• 提出了两个新的极小辐射中微子质量模型：一个含带电三重态 $\Delta\sim(1,3,0)$，另一个含带电双重态 $\Phi\sim(1,2,3)$，两者均使用一个带电单重态 $h^+\sim(1,1,2)$。
• 尽管理论结构简单且与原始Zee模型相似，这两个新模型仍被当前中微子质量与混合数据排除。
• Zee模型与Zee-Babu模型仍是唯一不依赖任意对称性的可行两场辐射中微子质量模型。
• 一个含两个标量场 $S_{1,2}\sim(1,4,1)$ 的广义Zee模型也因相同数据被排除，表明存在更广泛的排除模式。
• 多个极小模型的排除表明，仅凭当前中微子数据即可否证整个类别的辐射中微子质量模型，而无需依赖新的对撞机数据。
• 结果表明，若辐射中微子质量是正确机制，则其很可能涉及超过两个BSM场，如第5节所展示的新三场两圈模型所示。