[論文レビュー] Neutrino Oscillations without Neutrino Masses or Heavy Mass Scales: A Higher-Dimensional Seesaw Mechanism

Keith R. Dienes, Emilian Dudaş+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 1998

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 35

ひとこと要約

この論文は、重い質量スケールや非ゼロのニュートリノ質量を必要とせずに、軽いニュートリノ質量を生成する高次元のシー・サウス機構を提案する。右側ニュートリノが余剰次元を伝播可能であることを許容することで、ヤコビ・カップリングのランニングに起因するべき乗法的抑制によって左側ニュートリノ質量が小さくなり、さらにカルラツ＝クライン状態の質量を通じてニュートリノ振動を説明可能となる。この機構により、シー・サウススケールはコンパクト化半径に置き換えられる。

ABSTRACT

Recent theoretical developments have shown that extra spacetime dimensions can lower the fundamental GUT, Planck, and string scales. However, recent evidence for neutrino oscillations suggests the existence of light non-zero neutrino masses, which in turn suggests the need for a heavy mass scale via the seesaw mechanism. In this paper, we make several observations in this regard. First, we point out that allowing the right-handed neutrino to experience extra spacetime dimensions naturally permits the left-handed neutrino mass to be power-law suppressed relative to the masses of the other fermions. This occurs due to the power-law running of the neutrino Yukawa couplings, and therefore does not require a heavy scale for the right-handed neutrino. Second, we show that a higher-dimensional analogue of the seesaw mechanism may also be capable of generating naturally light neutrino masses without the introduction of a heavy mass scale. Third, we show that such a higher-dimensional seesaw mechanism may even be able to explain neutrino oscillations without neutrino masses, with oscillations induced indirectly via the masses of the Kaluza-Klein states. Fourth, we point out that even when higher-dimensional right-handed neutrinos are given a bare Majorana mass, the higher-dimensional seesaw mechanism surprisingly replaces this mass scale with the radius scale of the extra dimensions. Finally, we also discuss a possible new mechanism for inducing lepton-number violation by shifting the positions of D-branes in Type I string theory.

研究の動機と目的

• 余剰次元を含むモデルにおける低エネルギーのニュートリノ振動と、重いシー・サウススケールの必要性との間の矛盾を解消すること。
• 余剰次元の幾何学を用いて、高エネルギースケールを導入することなくニュートリノ質量が自然に軽くなるかどうかを調査すること。
• カルラツ＝クライン励起状態を通じて、非ゼロのニュートリノ質量がなくてもニュートリノ振動が生じるかどうかを調査すること。
• 右側ニュートリノが余剰次元に局在化され、ボーダー・マヨラナ質量が与えられた場合に、シー・サウス機構がどのように変化するかを特定すること。
• タイプIのストリング理論におけるDブレーンの位置シフトを通じて、レプトン数の破れを新たに提案すること。

提案手法

• 右側ニュートリノを余剰時空次元を伝播可能とし、左側ニュートリノを3+1次元のブレーンに閉じ込めること。
• 余剰次元におけるニュートリノヤコビカップリングのべき乗法的ランニングを活用し、他のフェルミオン質量に対して有効な左側ニュートリノ質量を抑制すること。
• シー・サウススケールが余剰次元のコンパクト化半径に置き換えられる高次元のシー・サウス機構を構築すること。
• 右側ニュートリノのカルラツ＝クラインスペクトルを解析し、光ニュートリノ質量がゼロであっても、これらのKK状態の質量を通じて振動が誘導され得ることを示すこと。
• 高次元設定において右側ニュートリノにボーダー・マヨラナ質量を導入した場合、それが実効的に余剰次元の逆半径スケールに置き換えられることを示すこと。
• タイプIストリング理論におけるDブレーンの位置シフトを通じてレプトン数の破れが生じる可能性を検討し、ブレーンのダイナミクスとニュートリノの素粒子物理学を結びつけること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重いシー・サウススケールを導入せずに、高次元モデルで軽いニュートリノ質量を生成できるか？
• RQ2 カルラツ＝クライン状態の混合により、非ゼロのニュートリノ質量がなくてもニュートリノ振動が生じるか？
• RQ3 右側ニュートリノが余剰次元を伝播可能である場合、シー・サウス機構はどのように変化するか？
• RQ4 高次元設定において、重いシー・サウス質量が置き換えられる有効スケールは何か？
• RQ5 タイプIストリング理論におけるDブレーンの位置シフトは、レプトン数の破れおよびニュートリノ質量の生成を引き起こすか？

主な発見

• ヤコビカップリングのランニングに起因するべき乗法的抑制により、他のフェルミオン質量に対して有効な左側ニュートリノ質量が余剰次元で小さくなり、重いスケールを導入する必要がなくなる。
• 高次元のシー・サウス機構により、重い質量スケールを導入せずとも軽いニュートリノ質量を生成可能であり、その代わりにコンパクト化半径の逆数が役割を果たす。
• 光ニュートリノ質量がゼロであっても、カルラツ＝クライン状態の質量を通じてニュートリノ振動が誘導され得る。これは、非ゼロのニュートリノ質量がなくても振動が生じるメカニズムを提供する。
• 右側ニュートリノにボーダー・マヨラナ質量が導入された場合、シー・サウス機構はそのスケールを余剰次元の逆半径スケールに置き換える。
• タイプIストリング理論におけるDブレーンの位置シフトを通じて、新たなレプトン数の破れメカニズムを提案し、ブレーンのダイナミクスとニュートリノの素粒子物理学を結びつける。
• このモデルは、コンパクト化スケールがシー・サウススケールの役割を果たす自然な高次元におけるシー・サウス機構が成立する一貫性のあるフレームワークを提供する。