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$(g-2)_{\ell}$ and LFV decays in a $U(1)_{L_{\mu} -L_{\tau}}$ left-right model with inverse seesaw neutrinos

Este artículo demuestra que un modelo de izquierda-derecha $U(1)_{L_{\mu} -L_{\tau}}$ con neutrinos de seesaw inverso puede explicar simultáneamente las discrepancias observadas en los momentos magnéticos anómalos de electrones y muones mediante contribuciones de bosones de Higgs cargados singlete pesados, mientras suprime naturalmente las desintegraciones que violan el sabor leptónico debido a la simetría de gauge subyacente.

Autores originales: L. T. Hue, Vo Quoc Phong, T. D. Tham, N. H. T. Nha

Publicado 2026-09-01

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CC0 1.0

Autores originales: L. T. Hue, Vo Quoc Phong, T. D. Tham, N. H. T. Nha

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En el vasto panorama de la física moderna, existe un enigma persistente sobre el comportamiento de las partículas subatómicas conocidas como leptones. Estos incluyen al electrón, que orbita el núcleo de cada átomo, y a sus primos más pesados, el muón y el tau. Durante décadas, los científicos han medido una propiedad específica de estas partículas llamada su momento magnético, que esencialmente describe cómo giran e interactúan con los campos magnéticos. El Modelo Estándar, nuestra mejor teoría actual sobre cómo funciona el universo a las escalas más pequeñas, predice un valor muy preciso para este espín. Sin embargo, experimentos recientes han revelado una brecha pequeña pero significativa entre la predicción teórica y la medición real, particularmente para el muón. Esta discrepancia sugiere que podría haber partículas o fuerzas invisibles influyendo en estos leptones, actuando como una mano oculta que empuja su espín ligeramente fuera del camino esperado. Para resolver este misterio, los físicos suelen buscar nuevas teorías que extiendan el Modelo Estándar, proponiendo la existencia de partículas más pesadas y no descubiertas que podrían cerrar la brecha entre lo que calculamos y lo que observamos.

Un equipo de investigadores ha explorado recientemente uno de estos marcos teóricos para ver si puede explicar estas anomalías sin romper otras reglas establecidas de la física. Se centraron en un modelo específico que introduce una nueva simetría entre el muón y el tau, y que al mismo tiempo propone un mecanismo para explicar por qué los neutrinos tienen masa. Este modelo incluye un nuevo tipo de partícula llamada bosón de Higgs con carga simple, que es más pesado que el bosón de Higgs familiar descubierto hace una década. Los investigadores realizaron cálculos detallados para ver si las interacciones que involucran a esta partícula pesada podrían generar el "empujón" adicional necesario para coincidir con los datos experimentales del momento magnético del muón. Su trabajo consistió en mapear cada posible forma en que estas nuevas partículas podrían influir en los momentos magnéticos de los leptones cargados a través de bucles cuánticos, un proceso donde las partículas aparecen y desaparecen brevemente para afectar el comportamiento de sus vecinas.

El estudio encontró que este modelo específico puede, de hecho, acomodar las discrepancias observadas. Los cálculos mostraron que el intercambio del pesado bosón de Higgs con carga simple puede producir una contribución lo suficientemente grande como para explicar la diferencia vista en el momento magnético del muón, que es del orden de una parte en mil millones. Del mismo modo, puede explicar la diferencia, más pequeña pero aún significativa, observada en el momento magnético del electrón. Crucialmente, los investigadores demostraron que esta explicación funciona sin violar otros límites experimentales estrictos. En muchas teorías, un mecanismo que corrige el problema del momento magnético suele provocar efectos secundarios no deseados, como que las partículas se desintegren en otras partículas de formas que nunca se han visto. Por ejemplo, un muón podría transformarse espontáneamente en un electrón y un fotón, o un pesado tau podría desintegrarse en un muón y un electrón.

Sin embargo, en este modelo específico, la nueva simetría entre el muón y el tau actúa como un escudo protector. Los investigadores encontraron que las tasas de estas desintegraciones prohibidas están suprimidas a un grado tan ínfimo que son efectivamente invisibles para los detectores actuales. Esto significa que el modelo puede resolver el enigma del momento magnético manteniéndose consistente con el hecho de que no vemos estas desintegraciones raras ocurriendo en la naturaleza. El estudio también examinó el comportamiento del bosón de Higgs y del bosón Z, que son portadores de fuerzas fundamentales, comprobando si se desintegrarían en diferentes tipos de leptones en violación de las leyes de conservación. Los resultados fueron consistentes: el modelo predice que estas desintegraciones son tan raras que están muy por debajo del umbral de lo que los experimentos actuales pueden detectar.

Los investigadores también examinaron cómo las propiedades de las nuevas partículas, como sus masas y la fuerza de sus interacciones, se relacionan con el tamaño del efecto del momento magnético. Descubrieron que para obtener la corrección adecuada para el muón y el tau, las interacciones deben ser relativamente fuertes, pero esto se equilibra con el hecho de que las masas de las nuevas partículas sean bastante pesadas. Para el electrón, el efecto puede lograrse incluso con interacciones más débiles, siempre que la masa de la nueva partícula esté dentro de un cierto rango. El estudio confirma que existe una región viable de parámetros donde el modelo funciona para los tres tipos de leptones simultáneamente. Esto sugiere que el universo podría contener estas partículas pesadas y la nueva simetría en la que se apoyan, ofreciendo una explicación plausible para las anomalías de larga data en la física de los leptones sin contradecir la riqueza de datos que ya tenemos de los aceleradores de partículas.

En última instancia, este trabajo proporciona un ejemplo concreto de cómo una extensión específica de nuestras teorías actuales puede resolver tensiones experimentales. Al equilibrar cuidadosamente las contribuciones de las nuevas partículas pesadas frente a las restricciones de la física conocida, los investigadores demostraron que las desviaciones observadas en los momentos magnéticos del electrón y el muón no requieren necesariamente un cambio total en nuestra comprensión. En cambio, podrían ser las huellas sutiles de un sector de partículas más pesado y oculto que respeta las delicadas simetrías del muón y el tau. Aunque esto sigue siendo una propuesta teórica que espera confirmación experimental, reduce la búsqueda de nueva física al identificar un conjunto específico de condiciones y comportamientos de partículas que los experimentos futuros podrían buscar. Los hallazgos sirven como una guía, indicando a los físicos exactamente qué tipo de señales esperar si la naturaleza ha elegido, de hecho, este camino particular para explicar las peculiaridades del mundo subatómico.

Resumen Técnico: $(g-2)_{\ell}$ y decaimientos LFV en un modelo de Izquierda-Derecha con $U(1)_{L_\mu-L_\tau}$ y neutrinos de Seesaw Inverso

Planteamiento del Problema
El artículo investiga la tensión entre las anomalías experimentales en los momentos magnéticos anómalos de leptones cargados, específicamente $(g-2)_\mu$ y $(g-2)_e$ , y las estrictas restricciones experimentales sobre los decaimientos que violan la simetría de sabor leptónico (LFV). Mientras que varios escenarios más allá del Modelo Estándar (BSM) intentan explicar la discrepancia del $(g-2)$ del muón ( $\Delta a_\mu \sim 10^{-9}$ ) y la del electrón ( $\Delta a_e \sim 10^{-13}$ ), a menudo luchan por satisfacer simultáneamente los límites en procesos como $\mu \to e\gamma$ , $\tau \to \ell\gamma$ y los decaimientos LFV de los bosones de Higgs ( $h$ ) y $Z$ . Los autores buscan determinar si existe un espacio de parámetros viable dentro de un marco BSM específico —el modelo de Izquierda-Derecha con $U(1)_{L_\mu-L_\tau}$ y neutrinos de Seesaw Inverso (LRiss)— que pueda acomodar las discrepancias de los momentos magnéticos mientras suprime naturalmente las tasas de LFV.

Metodología
Los autores realizan un análisis detallado de un bucle (one-loop) dentro del marco LRiss, el cual extiende el grupo de gauge del Modelo Estándar a $SU(2)_L \otimes SU(2)_R \otimes U(1)_{B-L} \otimes U(1)_{L_\mu-L_\tau}$ . El modelo incorpora:

Contenido de Partículas: Bosones de Higgs con carga simple ( $h^\pm$ ), bosones de gauge pesados con carga simple ( $W'^\pm$ ), un nuevo bosón de gauge neutro ( $Z'_{\mu\tau}$ ), y neutrinos de seesaw inverso (ISS) (incluyendo neutrinos activos y singletes estériles pesados $S_L$ ).
Derivación Teórica: Los autores derivan las reglas de Feynman y los acoplamientos relevantes para la interacción de los leptones con los bosones de Higgs y de gauge. Calculan explícitamente las contribuciones de un bucle a los momentos magnéticos anómalos ( $\Delta a_\ell$ ) y a las razones de ramificación (branching ratios) para los decaimos LFV ( $e_b \to e_a \gamma$ , $h \to e_b e_a$ , $Z \to e_b e_a$ ).
Análisis de Simetría: Un componente crítico de la metodología es el análisis de las asignaciones de carga de $U(1)_{L_\mu-L_\tau}$ para los singletes de neutrinos estériles ( $S_L$ ). Los autores exploran seis permutaciones posibles de carga para determinar cómo la estructura de la matriz de masa de neutrinos pesados ( $M_R$ ) afecta la mezcla de sabor.
Escaneo Numérico: Se realiza un escaneo numérico del espacio de parámetros, incluyendo la escala de ruptura de $SU(2)_R$ $S U (2)_{R}$ ( $v_R$ $v_{R}$ ), la razón de los valores de vacío de los campos de Higgs ( $\tan \beta$ $tan β$ ), las masas de los neutrinos pesados ( $M_{1,2,3}$ $M_{1, 2, 3}$ ) y del Higgs cargado ( $m_{h^+}$ $m_{h^{+}}$ ), así como los acoplamientos de Yukawa ( $\tilde{Y}^\ell$ $\tilde{Y}^{ℓ}$ ). El escaneo está restringido por:
- Datos de oscilación de neutrinos (ordenación normal).
- Límites de perturbatividad de los acoplamientos de Yukawa.
- Límites superiores experimentales para las razones de ramificación LFV (por ejemplo, $Br(\mu \to e\gamma) < 1.5 \times 10^{-13}$ ).
- Restricciones sobre la no-unitariedad de la matriz de mezcla de neutrinos activos ( $\eta$ ).

Contribuciones Clave y Resultados

Acomodación de las Anomalías de $(g-2)$ : El estudio demuestra que el modelo LRiss puede acomodar con éxito las discrepancias observadas tanto en el momento magnético anómalo del muón como en el del electrón.
- Para el muón, el modelo puede generar $\Delta a_\mu \sim 10^{-9}$ .
- Para el electrón, puede acomodar $|\Delta a_e| \sim O(10^{-13})$ .
- La contribución dominante a estas discrepancias proviene de los diagramas de un bucle "quiralmente mejorados" (chirally-enhanced) que involucran el intercambio de bosones de Higgs con carga simple ( $h^\pm$ ) y neutrinos pesados. Esta contribución es proporcional a los acoplamientos de Yukawa $\tilde{Y}^\ell$ y $\tan \beta$ .
Supresión de Decaimientos LFV: Un hallazgo central es que la simetría $U(1)_{L_\mu-L_\tau}$ con gauge conduce a una tasa de decaimiento LFV altamente suprimida, desacoplando efectivamente las anomalías de $(g-2)$ de las restricciones de LFV.
- Mecanismo: Los autores muestran que para asignaciones de carga específicas de los neutrinos estériles, los términos "quiralmente mejorados" (proporcionales a $g^{LR}$ ) que impulsan las grandes contribuciones de $(g-2)$ son diagonales en el espacio de sabor ( $\propto \delta_{ab}$ ). En consecuencia, estos términos no contribuyen a los procesos de cambio de sabor ( $a \neq b$ ).
- Resultados Cuantitativos: Las razones de ramificación predichas para los decaimientos LFV son encontradas como insignificantes:
  - $Br(e_b \to e_a \gamma) < 10^{-50}$ (dominado por las contribuciones de neutrinos activos que son diminutas).
  - $Br(h \to e_b e_a) < O(10^{-28})$ .
  - $Br(Z \to e_b e_a) < O(10^{-34})$ .
- Estos valores están muy por debajo de las sensibilidades experimentales actuales, lo que significa que el modelo es naturalmente consistente con todos los límites de LFV existentes.
Rol de las Asignaciones de Carga: El artículo detalla cómo diferentes permutaciones de las cargas de $U(1)_{L_\mu-L_\tau}$ para los singletes $S_L$ afectan la matriz de masa $M_R$ . Si bien la permutación específica cambia la estructura de las matrices de mezcla, el resultado cualitativo es robusto: las contribuciones dominantes a $\Delta a_\ell$ son diagonales en sabor, mientras que las contribuciones fuera de la diagonal de sabor son o bien cero o están fuertemente suprimidas por las pequeñas masas de los neutrinos activos.
Restricciones del Espacio de Parámetros: El análisis numérico revela que lograr valores grandes de $|\Delta a_\mu|$ y $|\Delta a_\tau|$ requiere acoplamientos de Yukawa considerables ( $|\tilde{Y}_{2,3}|$ ) y rangos específicos de $\tan \beta$ . Sin embargo, las restricciones de no-unitariedad en la matriz de mezcla de neutrinos activos ( $\eta_{ii} \leq 10^{-3}$ ) imponen límites sobre el producto $\tilde{Y} \tan \beta$ , restringiendo el espacio de parámetros viable.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que el modelo de Izquierda-Derecha con neutrinos de seesaw inverso y $U(1)_{L_\mu-L_\tau}$ proporciona un marco teóricamente consistente donde las contribuciones de un bucle de bosones de Higgs con carga simple pesados pueden explicar las actuales anomalías de $(g-2)_\mu$ y $(g-2)_e$ sin violar los límites experimentales extremadamente estrictos de la violación de sabor leptónico.

Los autores enfatizan que la supresión de las tasas de LFV es una consecuencia directa de la simetría $U(1)_{L_\mu-L_\tau}$ con gauge y de la estructura específica del mecanismo de seesaw inverso, más que de un ajuste fino de los parámetros. Esto permite al modelo generar contribuciones considerables a los momentos magnéticos (a través de bucles diagonales en sabor) mientras mantiene los bucles de cambio de sabor (que impulsan los decaimientos LFV) de forma evanescente. Este trabajo destaca que en este escenario BSM específico, las fuertes correlaciones que se encuentran a menudo entre $(g-2)$ y LFV en otros modelos se rompen, permitiendo una explicación viable de las discrepancias de los momentos magnéticos que permanece compatible con todos los datos experimentales actuales.

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