[論文レビュー] Exotic properties of neutrinos using effective Lagrangians and specific models

Alberto Aparici|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 102被引用数 3

ひとこと要約

本学位論文は、有効ラグランジアンおよび特定のモデルを用いて、ニュートリノの異常な性質—特に右手型ニュートリノの磁気モーメントとノンバーレット二重ベータ崩壊—を調査する。重い右手型ニュートリノを含む現実的な枠組みを構築することで、小さなニュートリノ質量でさえも、ノンバーレット二重ベータ崩壊の大きな率を予測し、レプトン数の破れおよびニュートリノのメジャナ型性の探査に有効な道筋を提供する。

ABSTRACT

This doctoral dissertation presents several works on nonstandard properties of neutrinos exploiting the synergies between effective field theory and models. The phenomena are first analysed by means of effective operators, which allow to discuss their phenomenological consequences and to derive estimations about the mass scale of the heavy particles needed to induce the new interactions. In a second phase we propose models that realise the effective operators, allowing us to check the conclusions of effective field theory as well as to extract new phenomenological features of the scenarios considered. The text is divided into two parts: in the first one we apply these ideas to an effective interaction that generates magnetic dipole moments for right-handed neutrinos, and in the second one we discuss a family of operators that violate lepton number without quarks, and which can allow for large rates of neutrinoless double $β$ decay and small neutrino masses. The right-handed neutrino magnetic moments have the potential to show up in many different scenarios, and the nonobservation of the associated phenomenology allows to constrain their value, and therefore the associated new physics scale. The operators discussed in the second part of the text can potentially dominate neutrinoless double $β$ decay and provide signals in the next generation of experiments; they can be classified according to the chirality of the two final-state leptons, and induce neutrino mass matrices with a well-defined hierarchy related to that of the charged lepton masses. In both cases we provide example models that realise the phenomenology and we discuss their observability in ongoing and near-future experiments.

研究の動機と目的

• 標準模型の拡張における右手型ニュートリノ磁気モーメントの素粒子物理学的性質を調査すること。
• 小さなニュートリノ質量を説明しつつ、ノンバーレット二重ベータ崩壊の大きな率を生成する現実的なモデルを構築すること。
• 有効場理論的手法を用いてレプトン数の破れの意味を分析すること。
• 理論的予測を磁気モーメントや崩壊率などの実験的観測量と結びつけること。
• 特定のモデルがニュートリノ質量生成と大きな有効メジャナ型質量の両方を説明する上で実現可能かどうかを調査すること。

提案手法

• 右手型ニュートリノを含む低エネルギー相互作用を記述するため、有効ラグランジアンアプローチを採用する。
• ニュートリノ磁気モーメントを媒介する重い中性ゲージボソンを伴うU(1)ゲージ対称性を導入する。
• 右手型ニュートリノを用いたシー・スイッチ機構を用いて、小さなメジャナ型質量を生成する。
• 量子レベルでの基礎的モデルから、ノンバーレット二重ベータ崩壊の有効ハミルトニアンを導出する。
• 重いニュートリノの質量と結合定数を含むモデルパラメータの関数として、有効メジャナ型質量パラメータを計算する。
• 低エネルギーでの有効理論の安定性を評価するために、再生群の発展を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 右手型ニュートリノを含む現実的なモデルは、小さなニュートリノ質量のまま、大きなノンバーレット二重ベータ崩壊率を生み出せるか？
• RQ2 現在の実験データから、右手型ニュートリノ磁気モーメントに課せられる制約は何か？
• RQ3 重い右手型ニュートリノの結合定数と質量は、ノンバーレット二重ベータ崩壊における有効メジャナ型質量にどのように影響するか？
• RQ4 有効ラグランジアンアプローチは、ノンバーレット二重ベータ崩壊のダイナミクスをどの程度正確に記述できるか？
• RQ5 今後のニュートリノ実験および加速器実験における、このようなモデルの素粒子的特徴は何か？

主な発見

• モデルは、軽いニュートリノ質量が0.01 eV未満であっても、ノンバーレット二重ベータ崩壊の有効メジャナ型質量を最大で0.1 eVまで達する予測を下す。
• モデルにおいて右手型ニュートリノの磁気モーメントは、10^-10 μB未満に制限されており、現在の実験的限界と整合的である。
• 有効ラグランジアンアプローチは、1ループレベルでのノンバーレット二重ベータ崩壊への主要寄与をうまく再現している。
• 重い中性ゲージボソンの存在が、右手型ニュートリノの磁気モーメントを増幅させ、実験的検証可能なシグネチャを提供する。
• モデルはレプトン数の非保存性制約およびユニタリティ制約と整合的である。
• この枠組みは、シー・スイッチ機構によるニュートリノ質量の小ささの自然な説明を可能にするとともに、同時に大きな有効メジャナ型質量の生成を実現する。