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Nuevo Modelo de Doblete de Higgs Ilumina las Masas de los Neutrinos

Un nuevo modelo propone leptones neutrales pesados para explicar las masas diminutas de los neutrinos.

― 8 minilectura


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Los Neutrinos son partículas misteriosas que apenas interactúan con la materia normal. Vienen en tres tipos, y sus masas diminutas han desconcertado a los científicos por mucho tiempo. Para explicar estas pequeñas masas, se proponen los leptones neutrales pesados (HNLs). Los HNLs están relacionados con un tipo especial de partícula llamada doblete de Higgs, que está involucrado en dar masas a otras partículas. Cuando estos leptones neutrales pesados se descomponen, pueden dejar una firma inusual en los colisionadores de partículas, que son máquinas grandes diseñadas para chocar partículas y observar los resultados.

Este artículo discute un modelo específico que incluye un nuevo doblete de Higgs. Este doblete de Higgs funciona de manera diferente a los conocidos de muchas maneras. Una idea clave es que puede ayudar a explicar las masas muy pequeñas de los neutrinos. El nuevo doblete de Higgs tiene un valor muy pequeño asociado a él, lo que facilita entender cómo los neutrinos pueden tener masas tan pequeñas.

En los colisionadores, ciertas condiciones pueden hacer que los HNLs vivan más tiempo. Si son de larga vida, pueden viajar una distancia notable antes de descomponerse. Esto puede crear una señal única, conocida como firma de vértice desplazado. Detectar esta firma podría llevar a nuevos descubrimientos sobre la naturaleza de las partículas y el universo.

Masas de Neutrinos Explicadas

El descubrimiento de oscilaciones de neutrinos – un proceso donde los neutrinos cambian de un tipo a otro – muestra que los neutrinos deben tener masa. Sin embargo, estas masas son extremadamente pequeñas, y las observaciones cosmológicas indican que la masa total de todos los neutrinos es menor a 0.12 eV. Para explicar cómo pueden surgir estas pequeñas masas de neutrinos, los científicos a menudo se refieren a la interacción Yukawa con el doblete de Higgs en nuestro modelo estándar de partículas. Sin embargo, la constante de acoplamiento involucrada en esta interacción es anormalmente pequeña en comparación con otros acoplamientos en el modelo estándar.

Una forma de explicar estas pequeñas masas implica el uso de leptones neutrales pesados. En un modelo convencional, los leptones neutrales pesados dan lugar a masas de neutrinos a través de un mecanismo llamado el mecanismo de balancín. Según esta idea, si existen partículas pesadas, pueden hacer que neutrinos más ligeros tengan masas pequeñas.

La exitosa teoría de leptogénesis térmica, que explica cómo el universo puede tener un excedente de materia sobre antimateria, requiere la existencia de leptones neutrales pesados. Desafortunadamente, las masas descubiertas de estas partículas pesadas están más allá del alcance de los colisionadores actuales.

Si los investigadores abandonan la necesidad de grandes constantes de acoplamiento Yukawa, puede ser posible trabajar con leptones neutrales pesados que estén más cerca de la escala electrodébil. Esto abre la puerta a la leptogénesis de baja escala, donde existen masas prácticamente iguales de neutrinos pesados. Sin embargo, los parámetros de mezcla que conectan los neutrinos pesados y ligeros suelen ser demasiado pequeños para estudiarse con los experimentos actuales.

El Nuevo Modelo de Doble Higgs

Este artículo presenta un modelo específico que extiende el modelo estándar con un nuevo doblete de Higgs y leptones neutrales pesados. El nuevo doblete de Higgs lleva un número leptónico, mientras que los leptones neutrales pesados no. Esta asignación única previene que ocurran las interacciones Yukawa habituales, mientras permite nuevos tipos de interacciones bajo una simetría global.

El nuevo doblete de Higgs puede acoplarse a los leptones neutrales pesados a través de una interacción específica, que juega un papel crucial en la generación de masas diminutas de neutrinos. El modelo también permite que los leptones neutrales pesados puedan ser producidos a través de varios procesos de descomposición. Tales procesos de producción dan lugar a firmas de vértice desplazado, que son señales observables en los colisionadores.

Las interacciones en este modelo son impulsadas por las masas de los leptones neutrales pesados y los escalares del doblete de Higgs. Los procesos no se ven obstaculizados por los pequeños parámetros de mezcla. Por lo tanto, hay esperanza de que los colisionadores puedan explorar un espacio de parámetros más grande, facilitando la búsqueda de señales.

Propiedades de Descomposición de Escalares y Leptones Neutrales Pesados

El modelo predice cómo se descompondrán los nuevos escalares y los leptones neutrales pesados. Los escalares cargados pueden descomponerse en leptones más ligeros y leptones neutrales pesados a través de interacciones Yukawa. Estas interacciones pueden llevar a resultados observables en los colisionadores de partículas.

Al realizar una simulación de estos procesos de descomposición, los investigadores analizan cómo se comportan los leptones neutrales pesados. Determinan sus razones de ramificación, que indican cuán probables son diferentes canales de descomposición. Los leptones neutrales pesados pueden descomponerse en múltiples partículas, y su comportamiento puede revelar información crítica sobre sus propiedades.

A medida que aumenta la masa del leptón neutral pesado, los tipos de canales de descomposición que dominan pueden cambiar. Las simulaciones buscan identificar las formas más probables en que estas partículas se descomponen, ayudando a aclarar su papel en el modelo.

Firmas de Vértice Desplazadas

Las firmas de vértice desplazadas son indicadores clave de la presencia de leptones neutrales pesados de larga vida. Cuando estos leptones se descomponen después de viajar una distancia medible, crean un patrón distintivo en los detectores de partículas. Las características únicas de estas firmas pueden diferenciarlas de otros procesos que ocurren en los colisionadores.

Con un fondo reducido de procesos del modelo estándar, los vértices desplazados pueden proporcionar un medio claro para estudiar los leptones neutrales pesados. Los investigadores pueden analizar estos eventos para extraer información vital sobre los HNLs y el nuevo doblete de Higgs.

Las simulaciones y experimentos en colisionadores, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) y el Colisionador Lineal Compacto (CLIC), son cruciales para descubrir estos vértices desplazados. Los investigadores pueden usar las condiciones en estos colisionadores para identificar las firmas esperadas y hacer predicciones informadas sobre cómo encontrarlas.

Resultados y Expectativas en el LHC

En el LHC de 14 TeV, los investigadores se centran en cómo buscar firmas de vértice desplazadas que surgen de la descomposición de leptones neutrales pesados. Varios puntos de referencia ayudan a definir cómo deberían verse las colisiones. Se estudian eventos para determinar con qué frecuencia y bajo qué condiciones ocurren estos vértices desplazados.

Usando simulaciones, los investigadores estiman la importancia de las señales y calculan los resultados esperados para diferentes patrones de mezcla. Los resultados sugieren que el LHC puede descubrir señales en ciertas regiones del espacio de parámetros. Esto también indica que podrían encontrar evidencia de leptones neutrales pesados en rangos de masa específicos.

A medida que se generan eventos y se analizan sus características, los investigadores pueden determinar qué patrones ofrecen las mejores oportunidades para la detección. El análisis se vuelve más complejo al considerar múltiples tipos de leptones y descomposiciones.

Resultados y Expectativas en CLIC

El Colisionador Lineal Compacto (CLIC) ofrece otra vía para explorar leptones neutrales pesados. A una energía más baja, específicamente en la etapa de 3 TeV, CLIC puede proporcionar señales más claras para los HNLs. Aunque algunos parámetros pueden ser menos sensibles debido a secciones transversales de producción más pequeñas, CLIC tiene ventajas únicas.

La estructura y configuración de los detectores en CLIC permiten búsquedas más refinadas. Los investigadores pueden aplicar estrategias similares a las empleadas en el LHC, ajustando cortes de selección y refinando los desencadenadores de eventos para mejorar la detección de vértices desplazados.

Las simulaciones en CLIC indican que la presencia de escalares pesados puede generar señales a partir de la descomposición de leptones neutrales pesados. Los investigadores anticipan encontrar evidencia durante estos experimentos si los leptones neutrales pesados están efectivamente presentes.

Conclusión

Esta investigación destaca la importancia de los leptones neutrales pesados y su conexión con las masas de los neutrinos. El nuevo modelo de doblete de Higgs proporciona un camino para que los científicos estudien estas fascinantes partículas y sus propiedades. Las potenciales firmas de vértice desplazadas presentan oportunidades emocionantes para descubrimientos tanto en el LHC como en CLIC.

Las búsquedas futuras de leptones neutrales pesados pueden ser informadas por las simulaciones y resultados presentados en este estudio. La investigación continua en esta dirección puede contribuir significativamente a nuestra comprensión de la física de partículas y los profundos mecanismos del universo.

Reunir teorías, simulaciones y datos experimentales impulsará el progreso en el descubrimiento de HNLs de larga vida y aclarará su papel en el contexto más amplio de la física de partículas. A medida que los investigadores empujan los límites de lo que sabemos, los hallazgos sobre los leptones neutrales pesados podrían desvelar nuevos horizontes en la comprensión de la naturaleza fundamental de la materia.

Fuente original

Título: Displaced Heavy Neutral Lepton from New Higgs Doublet

Resumen: Heavy neutral leptons $N$ are introduced to explain the tiny neutrino masses via the seesaw mechanism. For proper small mixing parameter $V_{\ell N}$, the heavy neutral leptons $N$ become long-lived, which leads to the displaced vertex signature at colliders. In this paper, we consider the displaced heavy neutral lepton from the neutrinophilic Higgs doublet $\Phi_\nu$ decay. The new Higgs doublet with MeV scale VEV can naturally explain the tiny neutrino masses with TeV scale $N$. Different from current experimental searches via the $W^\pm\to \ell^\pm N$ decay, the new decays as $H^\pm\to \ell^\pm N$ are not suppressed by the small mixing parameter $V_{\ell N}$. Therefore, a larger parameter space is expected to be detected at colliders. We then investigate the promising region at the 14 TeV HL-LHC and the 3 TeV CLIC. According to our simulation, the DV signature could probe $|V_{\ell N}|^2\gtrsim10^{-19}$ with $m_N

Autores: Fa-Xin Yang, Feng-Lan Shao, Zhi-Long Han, Yi Jin, Honglei Li

Última actualización: 2024-06-23 00:00:00

Idioma: English

Fuente URL: https://arxiv.org/abs/2406.16269

Fuente PDF: https://arxiv.org/pdf/2406.16269

Licencia: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Cambios: Este resumen se ha elaborado con la ayuda de AI y puede contener imprecisiones. Para obtener información precisa, consulte los documentos originales enlazados aquí.

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