[論文レビュー] Probing the Origin of Neutrino Mass: from GUT to LHC

Goran Senjanović|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、ゲージ理論の統一（GUT）とコライダー物理学を通じてニュートリノ質量の起源を調査し、最小限の超対称的SO(10)およびSU(5) GUTが、大気ニュートリノ混合角とθ₁₃ ≈ 10°を自然に説明できることを提案している。また、LHCにおけるTeVスケールの左右対称性が、W_Rおよびν_Rのシグネチャを通じてメジャナニュートリノ質量を直接探査可能であり、W_Rの発見領域は5.5 TeVまで、ν_Rの発見領域は100–1000 GeVまで達する可能性がある。

ABSTRACT

Ever since the Majorana classic work, the nature of neutrino has been one of the central questions of the weak interaction physics. If neutrino is its own antiparticle, the immediate consequence is lepton number violation through the neutrinoless double beta decay. However, colliders such as the LHC offer a hope of seeing directly the same phenomenon, and moreover the Majorana nature of new particles needed to complete the Standard Model. I review here the salient features of these phenomena, and then turn to grand unification as a way of probing the scale of the relevant new physics. The minimal supersymmetric SO(10) theory basically eliminates the LHC physics, but leads naturally to the large atmospheric mixing angle and furthermore predicts $θ_{13} \simeq 10^\circ$ without any additional symmetries, in agreement with new T2K and MINOS data. It also assures that the R-parity is exact and thus leads to the stable LSP as a natural Dark Matter candidate. The minimal realistic SU(5) theory, on the other hand, predicts the light fermion triplet, below TeV, as a source of neutrino Majorana mass.

研究の動機と目的

• ゲージ理論の統一とコライダー物理学を通じて、極めて小さなニュートリノ質量の起源を理解すること。
• T2K/MINOSで観測された大きな大気ニュートリノ混合角とθ₁₃ ≈ 10°が、追加の手作業的フレーバー対称性を必要としない最小限のGUTによって説明可能かどうかを検証すること。
• LHCにおけるW_Rおよび右巻きニュートリノのシグネチャを通じて、レプトン数の破れと新しい粒子のメジャナ性を直接探査する可能性を調査すること。
• 最小限の超対称的SO(10) GUTにおけるR対称性保存とダークマターの安定性の役割を評価すること。
• TeVスケールのフェルミオン的トリプレットがSU(5) GUTに存在する場合、それがLHCで発見可能かどうか、およびニュートリノ質量行列をどのように探査できるかを明らかにすること。

提案手法

• 右巻きニュートリノ（タイプI）、弱いヒッグストリプレット（タイプII）、フェルミオン的トリプレット（タイプIII）を介したスイープ機構を用いて、小さなニュートリノ質量を生成する。
• ヒッグス多重スピン10_H、126_H、210_Hを備えた最小限の超対称的SO(10) GUTを適用し、ニュートリノ混合角と質量の予測を導出する。
• W_Rおよびν_Rゲージボソンを有する左右対称モデルを分析し、LHCにおける同符号ダブルレプトン＋ジェットのシグネチャを予測する。
• Drell-Yan過程によるpp衝突におけるTeVスケールのフェルミオン的トリプレットTの生成と崩壊を評価する：pp → T⁺T⁰, T⁺T⁻。
• ニュートリノ質量行列式 m_ν = v²(Y_T²/m_T + Y_S²/m_S) を用いて、トリプレット結合とニュートリノ質量の関係を結びつける。
• コライダーの素性物理学的分析を実施し、統合光度30および300 fb⁻¹の14 TeV LHCにおけるW_Rおよびν_Rの発見領域を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小限の超対称的SO(10) GUTは、追加のフレーバー対称性を必要とせず、大きな大気ニュートリノ混合角とθ₁₃ ≈ 10°を自然に説明できるか？
• RQ2 左右対称モデルにおけるLHCにおけるW_Rおよび右巻きニュートリノの発見可能性はいかほどか？
• RQ3 最小限のSU(5) GUTに存在するTeVスケールのフェルミオン的トリプレットはLHCで発見可能か？また、その崩壊はどのようにニュートリノ質量行列を探査できるか？
• RQ4 最小限のSO(10) GUTにおけるR対称性構造は、手作業的対称性を必要とせず、安定なLSPをダークマター候補として導くか？
• RQ5 LHCにおける同符号ダブルレプトンシグネチャは、さまざまなスイープ機構を区別し、レプトン数の破れをどの程度まで探査できるか？

主な発見

• 最小限の超対称的SO(10) GUTは、追加のフレーバー対称性を必要とせず、T2KおよびMINOSのデータと非常に良好に一致するθ₁₃ ≈ 10°を予測する。
• このモデルは、パティ・サラムのクォーク-レプトン対称性の自発的破れにより、自然に大きな大気ニュートリノ混合角と小さなクォーク混合角を生成する。
• 最小限の超対称的SO(10) GUTは正確なR対称性を保証し、安定なLSPを自然なダークマター候補として導く。
• LHCでは、30 fb⁻¹でW_Rボソンを4 TeVまで、300 fb⁻¹で5.5 TeVまで探査可能であり、ν_R質量は100–1000 GeVの範囲にわたる。
• 最小限のSU(5) GUTにおけるフェルミオン的トリプレットはTeV未満に予測され、LHCでの発見領域は10 fb⁻¹で450 GeV、100 fb⁻¹で700 GeVまで達する。
• TeVスケールのトリプレットT⁺T⁰ → lᵢ⁺lⱼ⁺ + 4ジェットの崩壊は、その結合y_Tⁱを介してニュートリノ質量行列を直接探査できる。