[論文レビュー] Gravitational wave complementarity and impact of NANOGrav data on gravitational leptogenesis: cosmic strings

Rome Samanta, Satyabrata Datta|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2020

Neutrino Physics Research参考文献 175被引用数 96

ひとこと要約

本稿は、宇宙ひもが誘発する重力波（GW）とニュートリノが2個放出されない双ベータ崩壊（0νββ）実験を組み合わせた、重力的レプトン生成の補足的プローブを提案する。右側の（RH）ニュートリノが誘発する重力的レプトン生成メカニズムが、量子重力効果を通じてレプトン非対称性を生成することを示し、NANOGravの12.5年間のパルサー計時データが2σ水準でm1 ≳25 meVを排除している。これは、GW制約と0νββ感度を結びつけるものである。

ABSTRACT

In seesaw mechanism, if right handed (RH) neutrino masses are generated dynamically by a gauged $U(1)$ symmetry breaking, a stochastic gravitational wave background (SGWB) sourced by a cosmic string network could be a potential probe of leptogenesis. We show that the leptogenesis mechanism that facilitates the dominant production of lepton asymmetry via the quantum effects of right-handed neutrinos in gravitational background, can be probed by GW detectors as well as next-generation neutrinoless double beta decay ($0 u\beta\beta$) experiments in a complementary way. We infer that for a successful leptogenesis, an exclusion limit on $f-\Omega_{ m GW}h^2$ plane would correspond to an exclusion on the $|m_{\beta\beta}|-m_1$ plane as well. We consider a normal light neutrino mass ordering and discuss how recent NANOGrav pulsar timing data (if interpreted as GW signal) e.g., at 95$\%$ CL, would correlate with the potential discovery or null signal in $0 u\beta\beta$ decay experiments.

研究の動機と目的

• 宇宙ひもからの重力波信号と右側ニュートリノが誘発する重力的レプトン生成（RIGL）の妥当性との間の関係を確立すること。
• NANOGravの12.5年間のパルサー計時データが、RIGLメカニズムと0νββ崩壊における有効電子ニュートリノ質量にどのように制約を加えるかを調査すること。
• 宇宙ひものGW検出限界に基づいて、|mββ| − m1 平面における補足的除外領域を導出すること。
• 成功したレプトン生成を考慮した場合、ひもの張力パラメータGµと最も軽いニュートリノ質量m1との間の相互作用を調査すること。
• 最近のNANOGravデータとRIGLメカニズムの整合性を、特に正のニュートリノ質量順序において評価すること。

提案手法

• 右側ニュートリノを含む2ループの量子重力効果によってレプトン非対称性が生じるRIGLメカニズムを定式化し、∂µRjµ/M² 演算子を通じて化学ポテンシャルが生成されることを示す。
• 共形的平坦な重力的背景における2ループ自己エネルギー図を用いてラグランジアン内の有効結合定数'b'を導出し、CPT破れの化学ポテンシャルに至る。
• ひもの張力µ ∼ Λ²_CSをGWエネルギー密度スペクトルに関連付け、Nambu–Goto作用を用いて宇宙ひもループの崩壊とGW放射をモデル化する。
• 宇宙ひもからの確率的重力波背景（SGWB）のパワースペクトルを計算し、f ∼1/yearにおけるNANOGravの観測された共通スペクトルプロセスと比較する。
• 観測されたGW振幅を用いてひもの張力パラメータGµを制約し、RIGLメカニズムを介して最も軽いニュートリノ質量m1への制約に翻訳する。
• 0νββ崩壊パラメータ|mββ|を補足的観測量として用い、GW制約に基づいて|mββ| − m1 平面における対応する除外領域を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RIGLメカニズムは、重力波検出器と将来の0νββ実験の両方によって、補足的に探査可能か？
• RQ2 NANOGravの12.5年間のパルサー計時データは、特に最も軽いニュートリノ質量m1の観点から、RIGLメカニズムにどのように制約を加えるか？
• RQ3 成功したレプトン生成のための、ひもの張力Gµとm1の上限との間の関係は何か？
• RQ4 f ∼1/yearにおけるNANOGrav信号は、特に対象となるブラックホール二重星などの他のGW源と比較して、ひもモデルをどれほど支持するか？
• RQ5 f − ΩGWh² 平面におけるGW検出閾値に対応する|mββ|の予測除外限界は何か？

主な発見

• RIGLメカニズムが成功するためにはGµ > 4.4 × 10⁻¹¹である必要があり、これにより最も軽いニュートリノ質量m1 ≲ 12 meVの上限が得られる。
• NANOGravデータは95%信頼水準でm1 ≳ 25 meVを除外しており、NANOGrav信号が宇宙ひも由来の確率的GW背景であると解釈される場合、RIGLメカニズムは否定的である。
• ひもの張力パラメータGµの除外限界は、|mββ| − m1 平面における対応する除外領域に翻訳され、0νββ実験による補足的テストが可能になる。
• フレーバー効果を含めた場合、RIGLメカニズムは標準的熱的レプトン生成の下限M1 > 10⁹ GeVよりも低いM1 ∼ 10⁷ GeVの右側ニュートリノ質量スケールを許容する。
• このモデルは、SGWB振幅と有効電子ニュートリノ質量|mββ|の間で強い相関を予測しており、Gµが大きいほどm1が大きく、結果として0νββからの制約が緩くなる。
• 宇宙ひもモデルは、単一のべき乗則モデルよりもNANOGravデータにより良く適合し、BSM物理学を探査するためのこのGW源の妥当性を支持する。