[论文解读] Verifiable type-II seesaw and dark matter in a gauged $U(1)_{B-L}$ model

Satyabrata Mahapatra, Nimmala Narendra+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

该论文提出在TeV尺度下对类型-II seesaw机制进行$U(1)_{B-L}$规范扩展，其中轻标量三重态($ackslashxi$)通过与重三重态($ackslashDelta$)的小混合介导中微子质量，实现对撞机探测。该模型通过剩余$Z_2$对称性使最轻的右手中微子稳定为暗物质候选者，成功满足遗迹密度与直接探测约束，同时通过三个$B-L$荷为$-4, -4, +5$的$B-L$荷右手中微子取消 gauge 与引力异常。关键贡献在于构建了一个可验证、无异常的框架，统一了小中微子质量与可行的暗物质，且尺度位于TeV量级。

ABSTRACT

We propose a gauged $U(1)_{B-L}$ extension of the standard model (SM) to explain simultaneously the light neutrino masses and dark matter (DM). The generation of neutrino masses occurs through a variant of type-II seesaw mechanism in which one of the scalar triplets lies at the TeV scale yet have a large dilepton coupling, which paves a path for probing this model at colliders. The gauging of $U(1)_{B-L}$ symmetry in a type-II seesaw framework introduces $B-L$ anomalies. Therefore we invoke three right handed neutrinos $ν_{R_{i}}$(i=1,2,3) with $B-L$ charges -4,-4,+5 to cancel the anomalies. We further show that the lightest one among the three right handed neutrinos can be a viable DM candidate. The stability of DM can be owed to a remnant $Z_2$ symmetry under which the right handed neutrinos are odd while all other particles are even. We then discuss the constraints on the model parameters from observed DM abundance and the search at direct detection experiments.

研究动机与目标

• 通过在TeV尺度实现类型-II seesaw，解决中微子质量生成中的层次问题，避免对$10^{14}$ GeV尺度物理的需求。
• 构建一个无异常的$U(1)_{B-L}$标准模型扩展，通过三个具有特定$B-L$荷的右手中微子取消 gauge 与引力异常。
• 在$U(1)_{B-L}$自发对称性破缺后，通过剩余$Z_2$对称性识别右手中微子中的可行暗物质候选者。
• 确保模型与宇宙学暗物质遗迹密度及直接探测约束相容。
• 通过$\xi^{\pm\pm}$衰变产生的同号双轻子末态提供可对撞机观测的信号，增强可证伪性。

提出的方法

• 引入两个标量三重态：一个$B-L$荷的重三重态$\Delta$（$M_\Delta \sim 10^{14}$ GeV）与一个$B-L$荷的轻三重态$\xi$（$M_\xi \leq$ 1 TeV），满足$M_\xi \ll M_\Delta$。
• 通过一个单态标量$\Phi_{B-L}$在TeV尺度获得真空期望值，实现$U(1)_{B-L}$规范对称性破缺，诱导$\Delta$与$\xi$之间的微小混合$\theta \sim \langle \Phi_{B-L} \rangle^2 / M_\Delta^2 \sim 10^{-18}$。
• 引入三个右手中微子$\nu_{R_i}$，其$B-L$荷为$-4, -4, +5$，以取消$[U(1)_{B-L}]^3$与$[Grav.]^2 \times [U(1)_{B-L}]$异常。
• 假设一个剩余$Z_2$对称性，其中$\nu_{R_i}$为奇宇称，其余场为偶宇称，使最轻的$\nu_{R_i}$稳定为暗物质候选者。
• 通过有效算符$\mathcal{O}_5 = \frac{LLHH}{\Lambda}$推导中微子质量矩阵，其中$\Lambda \sim M_\Delta$，得到$M_\nu \sim f \langle \Delta \rangle \sim f \frac{\langle H \rangle^2}{M_\Delta}$。
• 通过$s$-通道湮灭过程（末态为$WW$、$ZZ$、$\gamma\gamma$、$gg$与$h\gamma$）计算最轻右手中微子的遗迹密度，并与PLANCK约束比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在规范$U(1)_{B-L}$模型中实现在TeV尺度的类型-II seesaw机制，同时保持无异常？
• RQ2 如何使模型中最轻的右手中微子在不引入人为离散对称性的情况下成为稳定暗物质候选者？
• RQ3 双荷标量$\xi^{\pm\pm}$的对撞机信号特征是什么？能否与标准模型背景相区分？
• RQ4 该模型在多大程度上能同时满足观测到的暗物质遗迹密度与直接探测约束？
• RQ5 尽管存在重$\Delta$三重态，能否通过TeV尺度标量三重态与大双轻子耦合生成小中微子质量？

主要发现

• 该模型通过重三重态$\Delta$（$M_\Delta \sim 10^{14}$ GeV）与轻三重态$\xi$（$M_\xi \leq$ 1 TeV）之间的微小混合，在TeV尺度实现了可验证的类型-II seesaw，该混合由$\langle \Phi_{B-L} \rangle \sim$ TeV诱导。
• 最轻的右手中微子（$B-L$荷为$-4$）是通过剩余$Z_2$对称性稳定的可行暗物质候选者，其遗迹密度与PLANCK观测值$\Omega_{\rm DM}h^2 = 0.120 \pm 0.001$一致。
• $\xi^{\pm\pm}$玻色子在$u_\xi$较小时主要衰变为同号双轻子（$l^+l^+$），分支比$R = \Gamma(\xi^{\pm\pm} \to l^+l^+) / \Gamma(\xi^{\pm\pm} \to W^+W^+)$在大部分参数空间中超过1，使其成为近乎无背景的对撞机信号。
• 该模型满足直接探测约束，其在核子上的自旋无关散射截面在大部分可行参数空间中低于当前XENON1T实验的限制。
• $B-L$异常通过引入三个$B-L$荷为$-4, -4, +5$的右手中微子得以取消，确保理论无$[U(1)_{B-L}]^3$与$[Grav.]^2 \times [U(1)_{B-L}]$异常。
• $\xi^{\pm\pm}$通过Drell-Yan过程在大型强子对撞机上产生，随后衰变为同号双轻子，为在大型强子对撞机上检验该模型提供了清晰且可发现的信号。