[論文レビュー] Dirac Radiative Neutrino Mass with Modular Symmetry and Leptogenesis

Arnab Dasgupta, Takaaki Nomura+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、モジュラー A₄ 対称性に基づく最小限のディラック形式の放射ニュートリノ質量モデルを提案し、スコトジェニックメカニズムにより自然に小さなニュートリノ質量を達成すると同時に、ニュートリノ生成による物質-反物質対称性の破れを実現する。モデルはわずかな入力パラメータでニュートリノ質量、混合角、CP位相を予測でき、R対称性と便宜的な Z₂ 対称性によってマルチコンponentのダークマターを実現する。また、ディラックニュートリノでありながらもレプトン数保存の下で、有効なレプトゲネシス機構を実現する。

ABSTRACT

Minimalistic Dirac radiative neutrino mass model based on modular symmetry is proposed. We predict maximum number of observables possible including neutrino mass splittings, neutrino mass scale, lepton mixing angles, and Dirac phases in the leptonic sector with minimum number of input parameters possible. Model is capable of accommodating multicomponent dark matter, thanks to the $\emph{R}-$parity and accidental scotogenic $\mathbb{Z}_2$ discrete symmetry. Furthermore, even-though neutrinos are Dirac in our model, matter-antimatter asymmetry of the Universe is achieved via neutrinogenesis mechanism. Phenomenology of the dark sector including various dark matter candidates is briefly discussed.

研究の動機と目的

• Majorana項を用いずに、モジュラー A₄ 対称性に基づく最小限のディラック形式の放射ニュートリノ質量モデルを構築すること。
• R対称性と便宜的な Z₂ 対称性を用いて、放射ニュートリノ質量生成とダークマター安定性を統合すること。
• レプトン数保存とディラックニュートリノの性質にもかかわらず、ニュートリノ生成によるバリオジェネシスを達成すること。
• 入力パララメータの数を最小限に抑えつつ、ニュートリノ混合角、質量差、CP位相の予測可能性を最大化すること。
• モジュラー対称性がフレーバー構造とダークマター安定性の両方を制御する枠組みを確立すること。

提案手法

• モデルはモジュラー A₄ 対称性を導入し、ヤコビ係数とスカラー・ポテンシャルを制約することで、1ループレベルでのニュートリノ質量生成を保証する。
• 複素スカラー単位状態と重い右手系ニュートリノを導入することで、スコトジェニックメカニズムを実装し、ループ補正によってディラックニュートリノ質量を生成する。
• R対称性と便宜的な Z₂ 対称性を課すことにより、フェルミオン的およびスカラー的状態を含む複数のダークマター候補を安定化する。
• 右手系ニュートリノ系においてニュートリノ生成を実現し、ヤコビ係数のCP対称性破れ位相によって物質-反物質対称性を生成する。
• モジュラー形式とモジュラー重みを用いてヤコビ係数の構造と質量行列を固定し、自由パラメータを削減する。
• ベンチマーク点を数値的にスキャンし、ニュートリノ振動データに適合させ、χ²を最小化してモデルパラメータを制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モジュラー A₄ 対称性を用いた最小限のディラック形式の放射ニュートリノ質量モデルを、わずかな入力パラメータで構築可能か？
• RQ2 ディラックニュートリノと保存されるレプトン数を持つモデルにおいて、マルチコンponentのダークマターを一貫して安定化できるか？
• RQ3 ニュートリノがディラック型であり、レプトン数が保存されるモデルでも、レプトゲネシスによる物質-反物質対称性の破れを生成可能か？
• RQ4 モジュラー対称性は、ニュートリノ混合角、CP位相、質量差の予測に果たす役割は何か？
• RQ5 場のモジュラー重みと変換性は、ニュートリノ質量行列とダークセクターの構造にどのように制約を加えるか？

主な発見

• モデルはニュートリノ質量階層が正規順序であると予測し、ニュートリノ質量の合計は約 59.0 meV である。
• 大気中ニュートリノと太陽ニュートリノの質量差は、それぞれ Δm²ₐₜₘ = 2.52×10⁻³ eV² および Δm²ₛₒₗ = 7.53×10⁻⁵ eV² と予測される。
• 混合角は sin²θ₁₂ = 0.295、sin²θ₂₃ = 0.451、sin²θ₁₃ = 0.0219 と予測され、現在のグローバルフィットと整合的である。
• ディラックCP位相は δCP = 18.0° と予測され、χ²の不確実性は √Δχ² = 1.32 であり、データとの良好な一致を示している。
• 重い中性フェルミオン（Nᵢ）は 1–10 TeV の範囲に予測され、質量は M₀ = 8.1 TeV、Dₙ₁ = 6.34 TeV、Dₙ₂ = 10.1 TeV、Dₙ₃ = 16.4 TeV である。
• ダークスカラー状態（Hᵢ）は 4.66–5.49 TeV の範囲に予測され、右隣のセクターにおける必要なCP対称性破れ位相は約 10⁻⁶ のオーダーである。