[論文レビュー] Neutrino Masses at v^{3/2}

Nima Arkani–Hamed, Lawrence J. Hall+3 more|ArXiv.org|Jul 1, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、超対称性の破れスケール $ m_I $ の3乗に比例する $ m_I^3 $ のオーダーでニュートリノ質量を生成するメカニズムを提案する。これは従来の $ v^2 $ とは異なり、スーパーカミオカンデの大気中性子ビームデータを説明する。2つのモデルを提示：1つはヤコビ型の抑制 $ \lambda_\tau^2 $ を持つもの、もう1つはループ抑制を持つもので、両者ともニュートリノ質量が $ \sim 0.1\,\text{eV} $ に達し、直接検出限界を回避する実現可能なスネュートリノダークマターを含む豊富な臨床的性質を探索する。

ABSTRACT

Theories in which neutrino masses are generated by a conventional see-saw mechanism generically yield masses which are O(v^2) in units where M_{Pl}=1, which is naively too small to explain the results from SuperKamiokande. In supersymmetric theories with gravity mediated supersymmetry breaking, the fundamental small parameter is not v/M_{Pl}, but m_I/M_{Pl}, where m_I is the scale of supersymmetry breaking in the hidden sector. We note that m_I^3/M_{Pl}^2 is only slightly too large to explain SuperKamiokande, and present two models that achieve neutrino masses at this order in m_I, one of which has an additional suppression lambda_tau^2, while the other has additional suppression arising from a loop factor. The latter model shares a great deal of phenomenology with a class of models previously explored, including the possibility of viable sneutrino dark matter.

研究の動機と目的

• 従来のシー・サウスモデルが予測するニュートリノ質量が30〜3000倍小さすぎるのに対し、スーパーカミオカンデの大気中性子ビームデータを説明するための対処。
• 重力媒介SUSY理論において、ニュートリノ質量が $ O(v^2) $ ではなく $ O(m_I^3) $ のオーダーで生じるかを検討。ここで $ m_I \sim 10^{10}-10^{11}\,\text{GeV} $ は小さなパラメータである。
• 観測されたニュートリノ質量スケールを説明できる $ m_\nu \sim m_I^3 $ の妥当なモデルを構築し、ヤコビカップリングやループ要因といった抑制機構を含む。
• 特に直接検出制限を回避するスネュートリノダークマターの可能性を含む、臨床的性質の検討。

提案手法

• 右手系ニュートリノがMajorana質量 $ m_{RR} \sim m_I $ を獲得し、Dirac質量 $ m_{LR} \sim m_I^2 $ をとるシー・サウス機構を用い、結果として $ m_\nu \sim m_I^3 $ のシー・サウス質量が得られる。
• 超ポテンシャル項 $ XNN + LNH $ を導入。$ X $ が $ A $-項の真空期待値 $ \langle X \rangle = m_I $ をとることで、必要なDirac質量およびMajorana質量が生成される。
• 右手系ニュートリノ質量を保護するためのグローバル対称性 $ G $ を導入。これは隠れたセクターで破れる。これにより $ m_I $ が基本的な小さなパラメータとなる。
• レプトン数を破る質量項 $ \delta \tilde{\nu}_+ \tilde{\nu}_- $ を組み込み、CP偶性およびCP奇性のスネュートリノ状態を分離。これにより $ Z $ ボソン交換散乱が抑制され、直接検出限界を回避できる。
• ループ要因およびフラバー対称性を用いてニュートリノ質量をさらに抑制。$ m_\nu \sim \lambda_\tau^2 m_I^3 \approx 0.1\,\text{eV} $ を達成。
• 中性ノイザー交換による残存密度を解析。$ \Omega h^2 \propto \sin^4\theta $ であり、$ \sin\theta \sim 0.16 $ の場合に妥当な値を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力媒介SUSY理論において、ニュートリノ質量が $ O(v^2) $ ではなく $ O(m_I^3) $ のオーダーで生成可能か。これはスーパーカミオカンデのデータを説明するのに適しているか。
• RQ2 $ m_I^3 $-抑制されたニュートリノ質量機構の臨床的性質、特にダークマターおよび加速器実験信号に与える影響は何か。
• RQ3 スネュートリノダークマターは、どのように直接検出実験の制限を回避しつつ、残存密度制約と整合的であるか。
• RQ4 フラバー対称性またはループ要因は、正しいニュートリノ質量スケールを達成するために果たす役割は何か。
• RQ5 レプトン数を破るスネュートリノ質量の分離は、$ Z $-交換散乱を抑制し、直接検出実験で検出可能なヒッグス媒介散乱を可能にするか。

主な発見

• $ m_I \sim 10^{10}-10^{11}\,\text{GeV} $ のとき、$ m_I^3 \sim 0.1\,\text{eV} $ のニュートリノ質量が得られ、スーパーカミオカンデのデータと整合的である。
• $ \lambda_\tau^2 $ 抑制を持つモデルでは $ m_\nu \approx 0.1\,\text{eV} $ となり、大気中性子ビームのニュートリノ質量スケールと一致する。
• ループ抑制モデルでは、ループ要因により $ m_\nu \sim m_I^3 $ が生成され、従来のモデルと同様の臨床的性質を示し、実現可能なスネュートリノダークマターを含む。
• スネュートリノダークマター候補は $ \tilde{\nu}_+ $ と $ \tilde{\nu}_- $ の混合であり、質量分裂 $ \Delta m \gtrsim 20\,\text{keV} $ により $ Z $-交換散乱が抑制され、直接検出限界を回避する。
• ヒッグス媒介散乱断面積は $ \sigma \approx 1.8 \times 10^{-43} \sin^2 2\theta \left( \frac{A}{100\,\text{GeV}} \right)^2 \left( \frac{130\,\text{GeV}}{m_h} \right)^4 \left( \frac{100\,\text{GeV}}{m_{\tilde{\nu}}} \right)^2 \,\text{cm}^2 $ であり、将来的な実験で検出可能である可能性がある。
• 残存密度は $ \sin\theta \sim 0.16 $ の場合に妥当であり、$ \Omega h^2 \approx \left( \frac{M_{\tilde{W}}}{100\,\text{GeV}} \right)^2 \left( \frac{\sin\theta}{0.16} \right)^4 $ で与えられ、左・右のスネュートリノ成分の混合に起因する $ \sin^4\theta $ の抑制により抑制される。