[論文レビュー] Low Energy Signatures of the TeV Scale See-Saw Mechanism

Alejandro Ibarra, Emiliano Molinaro+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 41

ひとこと要約

本稿は、TeVスケールの右手スピンニュートリノを伴うタイプIシー・サウト機構を調査し、ニュートリノ振動データおよび$μ\to e+\gamma$崩壊限界によって、それらの標準模型粒子への結合がきびしく制約されることを示している。これらの制約がLHCでの発見可能性を低下させる一方で、モデルはニュートリノ無双ベータ崩壊をGERDAが検出可能な水準まで強化可能であり、またMEG実験の感度範囲内に$μ\to e+\gamma$率を予測できる。したがって、これらの過程はTeVスケールのシー・サウト物理学の主要な間接的プローブとなる。

ABSTRACT

We study a type I see-saw scenario where the right-handed (RH) neutrinos, responsible for the light neutrino mass generation, lie at the electroweak scale. Under certain conditions, the strength of the charged and neutral current weak interactions of the Standard Model particles with the heavy RH neutrinos can be large enough to allow their production at the LHC, opening also the possibility of observing other low energy signatures of the new physics in the electroweak precision observables as well as in searches for rare leptonic decays or neutrinoless double beta decay. We argue that in this scenario the flavour structure of the neutrino Yukawa couplings is essentially determined by the low energy neutrino parameters, leading to fairly strong correlations among the new phenomena. In particular, we show that the present bound on the $μ o e +γ$ decay rate makes very difficult the observation of the heavy RH neutrinos at the LHC or the observation of deviations from the Standard Model predictions in the electroweak precision data. We also argue that all present experimental constraints on this scenario still allow i) for an enhancement of the rate of neutrinoless double beta decay, which thus can be in the range of sensitivity of the GERDA experiment even when the light Majorana neutrinos possess a normal hierarchical mass spectrum, and ii) for the predicted $μ o e+ γ$ decay rate to be within the sensitivity range of the MEG experiment.

研究の動機と目的

• 電弱スケールにおける右手スピンニュートリノを伴うタイプIシー・サウト機構の低エネルギーの現象論的性質を分析すること。
• ニュートリノ振動データおよび$μ\to e+\gamma$崩壊率から導かれる右手スピンニュートリノ結合の制約を特定すること。
• これらの制約のもとで、LHCにおける右手スピンニュートリノの観測可能性を評価すること。
• この状況下でのニュートリノ無双ベータ崩壊$((ββ)_{0\nu})$および$μ\to e+\gamma$崩壊率の増幅可能性を評価すること。

提案手法

• 分析は、質量と結合定数がPMNS混合行列を介して低エネルギーのニュートリノパラメータと関連づけられるTeVスケールの右手スピンニュートリノを伴うタイプIシー・サウト機構を用いる。
• 右手スピンニュートリノの電荷およびニュートリノのヤコビ行列から、PMNS行列を介して電弱カレント結合を導出する。全体のスケールは最大のヤコビ固有値$y$で固定される。
• 一ループ図を用いて、$μ\to e+\gamma$のようなレプトン数非保存の放射性崩壊を計算し、混合角、CP位相、および$y$を用いて振幅を表現する。
• 電弱精度観測量を評価し、標準模型からのずれを現在の実験的限界で制約する。
• $(ββ)_{0\nu}$崩壊振幅を計算し、重いメジャナナニュートリノの交換による寄与を含む。見かけ上、シー・サウト機構によって率が増幅される。
• ニュートリノ振動データ、$μ\to e+\gamma$限界、電弱精度データからの制約を満たすパラメータ空間をスキャンし、妥当な領域を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100–1000 GeVの質量を有する右手スピンニュートリノが、低エネルギーのニュートリノデータおよび$μ\to e+\gamma$崩壊限界の制約のもとでLHCで生成可能か。
• RQ2 測定されたニュートリノ混合角および質量平方差が、重い右手スピンニュートリノの電荷および中性カレント結合に与える制約は何か。
• RQ3 通常のニュートリノ質量順序であっても、TeVスケールの右手スピンニュートリノの交換が、ニュートリノ無双ベータ崩壊率をどの程度増幅可能か。
• RQ4 これらの右手スピンニュートリノによって生成される$μ\to e+\gamma$崩壊率は、MEG実験の感度範囲内にあるか。
• RQ5 $μ\to e+\gamma$と$(ββ)_{0\nu}$崩壊率の相関関係が、TeVスケールのシー・サウト機構の一貫したシグネチャーを提供できるか。

主な発見

• 現在の$μ\to e+\gamma$崩壊率の限界は、$y$のヤコビ結合定数をきびしく制約しており、これにより重い右手スピンニュートリノの電荷カレントおよび中性カレント結合が、LHCでの観測可能な水準にまで小さくなっている。
• $μ\to e+\gamma$のきびしい制約のもとでも、モデルはニュートリノ無双ベータ崩壊率を顕著に増幅でき、通常のニュートリノ質量順序であってもGERDA実験の感度範囲に達する。
• 予測される$μ\to e+\gamma$崩壊率は、近い将来のMEG実験の感度範囲内にあり、TeVスケールのシー・サウト機構の主要な間接的プローブとなる。
• $μ\to e+\gamma$と$(ββ)_{0\nu}$崩壊率の強い相関は、同じニュートリノ混合パラメータおよびヤコビ結合定数に依存するため生じ、デゲネラシー・パラメータ$z$およびメジャナナ位相の独立した抽出を制限する。
• 小さな軽いニュートリノ質量を再現するため、2つの重い右手スピンニュートリノが擬似ディラック対を形成する必要があるが、これは正確なレプトン数保存がなくても成立する。
• ニュートリノ振動データおよび$μ\to e+\gamma$限界からの制約は、CCおよびNC結合$|(RV)_{\ell k}|$が全体のスケールを除き固定されており、結合定数の独立した調整の余地がないことを示している。