[論文レビュー] Lepton Number Violation with and without Majorana Neutrinos

Julian Heeck|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ゲージ化された $U(1)_{B-L}$ 対称性の3つの異なる実現形態を検討する：非 spontaneously破Symmetry（ディラックニュートリノとニュートリノ生成をもたらす）、2単位分の破Symmetry（メジャノワニュートリノと熱的レプトゲネシスをもたらす）、4単位分の破Symmetry（$\Delta L=4$ レプトン数違反を伴うディラックニュートリノと、新しいディラックレプトゲネシスメカニズムをもたらす）。主な貢献は、特に左対称モデルにおけるコライダーで探査可能な $\Delta L=4$ プロセスを特徴とする、これらの状況を区別する実験的シグナチャーの比較的分析である。

ABSTRACT

We discuss the various incarnations of a gauged B-L symmetry: 1) unbroken, it features Dirac neutrinos, neutrinogenesis to create the baryon asymmetry of our Universe, and a potentially light Z' boson; 2) broken by two units, we obtain the standard case of Majorana neutrinos, seesaw and thermal leptogenesis; 3) broken by four units, we find Dirac neutrinos with lepton-number-violating interactions, which can give rise to a new Dirac leptogenesis mechanism. We review and discuss the signatures distinguishing the three scenarios.

研究の動機と目的

• 標準模型（SM）の欠陥（ニュートリノ質量、バリオン数の非対称性、ダークマター）を解決できるゲージ化された $U(1)_{B-L}$ 対称性の実現方法を探索すること。
• $U(1)_{B-L}$ の3つの物性的に異なる実現形態（非破Symmetry、$\Delta(B-L)=2$ による破Symmetry、$\Delta(B-L)=4$ による破Symmetry）を分類・対比すること。
• それぞれのシナリオにおける実験的にテスト可能なシグナチャー（特にコライダーにおけるもの）を特定すること、特に左対称モデルにおける $\Delta L=4$ プロセスに焦点を当てる。
• 最小モデルでは抑制されるが、拡張された左対称ゲージ構造においては観測可能な信号をもたらす $\Delta L=4$ プロセスが、観測可能であることを示すこと。

提案手法

• 右手系ニュートリノと $Z'$ ボソンを導入することで、標準模型の異常フリーなグローバル $U(1)_{B-L}$ 対称性を局所ゲージ対称性に昇格させる。
• 3つのケースを分析する：(1) 非破Symmetryの $U(1)_{B-L}$ でディラックニュートリノと軽い $Z'$ を得る；(2) $\Delta(B-L)=2$ の破Symmetryにより、see-saw機構を介したメジャノワニュートリノが生成される；(3) $\Delta(B-L)=4$ の破Symmetryにより、$\Delta L=4$ レプトン数違反相互作用が可能になる。
• 左対称拡張において、スカラー交換を通じて $e_R^4 W_R^4$ のような $\Delta L=4$ 有効作用素を導出する。
• $SU(2)_L \times SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$ ゲージ群を持つ左対称モデルを構築し、$\phi_R \sim (\mathbf{1},\mathbf{5},4)$ および $\chi_R \sim (\mathbf{1},\mathbf{3},-2)$ スカラーを導入して $\Delta L=4$ 相互作用を媒介する。
• $\phi_R^0$ の真空期待値から $W_R^\pm$ および $Z_R$ の質量を導出し、$M_{W_R} \sim g_R \langle \phi_R^0 \rangle$ を得る。これにより高エネルギースケールでの $R$-パリティ破れが可能になる。
• コライダーでのシグナチャーとして、LHCにおける $pp \to 4\ell^- + 4W^+$ および将来の同符号レプトンコライダーにおける $e^-e^- \to \ell^+\ell^+ + 4W^-$ を提案し、$\Delta L=4$ プロセスの探査に用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲージ化された $U(1)_{B-L}$ 対称性は、非破Symmetryの場合にどのようにディラックニュートリノ質量とニュートリノ生成をもたらすのか？
• RQ2 $\Delta(B-L)=2$ の破Symmetry（メジャノワニュートリノ）と $\Delta(B-L)=4$ の破Symmetry（$\Delta L=4$ 違反を伴うディラックニュートリノ）の間で、顕著な物性的シグナチャーにどのような相違があるか？
• RQ3 左対称モデルにおける $\Delta L=4$ レプトン数違反は、観測可能なコライダー信号をもたらす可能性があるか？ もしそうなら、主な生成過程は何か？
• RQ4 $\Delta L=4$ メカニズムは、どのように新しい形のディラックレプトゲネシスを可能にするのか？ そして、標準的熱的レプトゲネシスとはどのように異なるのか？
• RQ5 既存の実験から $\Delta L=4$ プロセスに課せられる制約は何か？ そして、将来のコライダーは感度をどのように向上させられるか？

主な発見

• 非破Symmetryの $U(1)_{B-L}$ 場合、ディラックニュートリノ、軽い $Z'$ ボソン、および宇宙のバリオン非対称性を生成するニュートリノ生成が得られる。
• $\Delta(B-L)=2$ 場合、see-saw機構により軽いメジャノワニュートリノが生成され、重い右手系ニュートリノの $CP$ 違反崩壊を介した熱的レプトゲネシスが、観測されたバリオン非対称性を説明できる。
• $\Delta(B-L)=4$ 場合、$\Delta L=4$ レプトン数違反を伴うディラックニュートリノが得られ、これによりメジャノワ質量に依存しない新しいディラックレプトゲネシスメカニズムが可能になる。
• 最小モデルでは抑制されるが、$\phi_R \sim (\mathbf{1},\mathbf{5},4)$ および $\chi_R \sim (\mathbf{1},\mathbf{3},-2)$ スカラーを含む左対称拡張により、$\Delta L=4$ 有効作用素（例：$e_R^4 W_R^4$）が強化される。
• 左対称モデルにおいて、$W_R^\pm$ および $Z_R$ の質量は $\langle \phi_R^0 \rangle \gg \langle H \rangle$ の条件下で生成され、$M_{W_R} \sim g_R \langle \phi_R^0 \rangle$ となる。これにより高エネルギースケールでの $R$-パリティ破れが可能になる。
• $pp \to 4\ell^- + 4W^+$ や $e^-e^- \to \ell^+\ell^+ + 4W^-$ といったコライダーのシグナチャーは、$\Delta L=4$ プロセスの実験的探査に有効であり、$0\nu\beta\beta$ 衰えとは異なる可能性のある発見チャネルを提供する。