[论文解读] Three-Loop Neutrino Mass Models at Colliders

Amine Ahriche, Kristian L. McDonald+1 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 6

一句话总结

该论文提出了一类三圈级中微子质量模型，能够同时解释中微子质量的微小性，并通过一个轻的右手中微子提供暗物质候选者，同时满足轻子味破坏和μ子反常磁矩的实验约束。该模型在LHC和ILC上预测了独特的信号——缺失能量加同味或异味轻子对，其在125 GeV Higgs质量下具有可观测性，且在ILC上使用极化束流、150 fb⁻¹亮度下可被探测。

ABSTRACT

In this work, we report on recent analyses of a class of models that generate neutrino mass at the three-loop level. We argue that these models offer a viable solution to both the neutrino mass and dark matter problems, without being in conflict with experimental constraints from, e.g. lepton flavor violating processes and the muon anomalous magnetic moment. Furthermore, we describe observable experimental signals predicted by the models and show that they have common signatures that can be probed at both the LHC and ILC.

研究动机与目标

• 开发一种标准模型的可行扩展，以解释无树图耦合的微小中微子质量。
• 在模型中识别一个稳定且轻的右手中微子作为暗物质候选者。
• 确保与轻子味破坏（如μ→eγ）和μ子反常磁矩的严格实验限制相容。
• 识别LHC和ILC上可观测的对撞机信号，以利用当前和未来数据检验该模型。
• 证明在Higgs质量为125 GeV时，强一级相变的电弱相变是可能的，从而支持重子生成。

提出的方法

• 该模型在标准模型基础上引入三个右手中微子和两个带电单态标量，通过保留一个Z₂对称性来禁止树图级中微子质量，并稳定最轻的中性费米子。
• 中微子质量通过涉及Yukawa耦合（fαβ, g_iα）、标量相互作用（λs）和圈积分（F）的三圈图生成，导致一个与带电轻子和右手中微子质量成比例的辐射抑制质量矩阵。
• 轻子味破坏过程（如μ→eγ）和μ子反常磁矩（δaμ）在单圈图水平上通过带电标量和多重态交换计算，其解析表达式涉及圈函数F₂(x)。
• 利用CalcHEP在ILC（250–1000 GeV质心能量）和LHC（8–14 TeV）上模拟对撞信号，生成事件如e⁻e⁺→e⁻μ⁺+Emiss和pp→e⁻e⁺+Emiss等，并施加动量学截断。
• 通过积分亮度评估信号显著性，极化束流（P(e⁻,e⁺) = [-0.8,+0.3] 或 [+0.8,-0.3]）可增强探测灵敏度。
• 在μ→eγ分支比、δaμ和中微子振荡数据（s₁₂², s₂₃², s₁₃²）约束下扫描参数空间，并为模拟选择基准点。

实验结果

研究问题

• RQ1 三圈级中微子质量模型能否在不违反LFV约束的前提下，同时解释微小中微子质量并提供可行的暗物质候选者？
• RQ2 此类模型在LHC和ILC上的可观测对撞机信号是什么，特别是在涉及缺失能量和同味或异味轻子对的过程中的表现？
• RQ3 该模型能否在Higgs质量为125 GeV时实现强一级电弱相变，从而支持重子生成？
• RQ4 ILC上在有无束流极化的情况下，观测5σ信号所需的亮度是多少？
• RQ5 基于LHC8数据，带电标量质量M_S₁的下限是多少？该信号在LHC14上是否可被观测？

主要发现

• 在基准参数f_eμ = -(4.97+i1.41)×10⁻², f_eτ = 0.106+i0.0859, f_μτ = (3.04−i4.72)×10⁻⁶，以及来自3×3矩阵的g_iα下，KNT模型（n=0）生成了与振荡数据一致的可行中微子质量矩阵。
• 该模型满足B(μ→eγ)和δaμ的实验限制，其中μ子反常磁矩贡献为δaμ = -m_μ²/(16π²) × [Σ|f_μα|²/(6M_S₁²) + nΣ|g_iμ|²F₂(M_Ei²/M_T²)/M_T²]。
• 在ILC上，使用极化束流（P = [-0.8,+0.3]）在250 GeV能量下，仅需150 fb⁻¹亮度即可实现5σ发现，而无极化时则需700 fb⁻¹。
• 在LHC上，14 TeV能量下100 fb⁻¹亮度即可观测到信号，且基于LHC8数据（20.3 fb⁻¹）得出M_S₁ > 780 GeV的下限。
• 该模型预测在125 GeV Higgs质量下可实现强一级电弱相变，支持重子生成，同时改变h→γγ衰变率，但保持分支比接近SM值。
• 在ILC上，使用极化束流时，150 fb⁻¹亮度下信号显著性超过5σ；在LHC上，14 TeV下M_S₁ < 780 GeV时，100 fb⁻¹亮度下信号显著性可达5σ。