[論文レビュー] Resonant leptogenesis and TM$_1$ mixing in minimal Type-I seesaw model with S$_4$ symmetry

Bikash Thapa, Ng. K. Francis|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2021

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ひとこと要約

本論文は、TM1ニュートリノ混合とTeVスケールでの共鳴的レプトゲネシスを実現するS4のフラバー対称性を持つ最小限のタイプI見通しモデルを提案する。直交性条件を満たすためにフラバーフィールドψを導入することで、モデルは正のニュートリノ質量階層を実現し、フラバー補正付きボルツマン方程式を用いて|ηB| = 6.3 × 10⁻¹⁰のバリオン非対称性を予測する。一方、ニュートリノ質量数の0νββ崩壊における有効マジョナナ質量は2.6–3.6 meVの範囲に予測される。

ABSTRACT

We present an S$_4$ flavour symmetric model within a minimal seesaw framework resulting in mass matrices that leads to TM$_1$ mixing. Minimal seesaw is realized by adding two right-handed neutrinos to the Standard Model. The model predicts Normal Hierarchy (NH) for neutrino masses. Using the constrained six-dimensional parameter space, we have evaluated the effective Majorana neutrino mass, which is the parameter of interest in neutrinoless double beta decay experiments. The possibility of explaining baryogenesis via resonant leptogenesis is also examined within the model. A non-zero, resonantly enhanced CP asymmetry generated from the decay of right-handed neutrinos at the TeV scale is studied, considering flavour effects. The evolution of lepton asymmetry is discussed by solving the set of Boltzmann equations numerically and obtain the value of baryon asymmetry to be $\lvert \eta_B vert = 6.3 imes 10^{-10}$.

研究の動機と目的

• S4フラバー対称性を持つ最小限の見通しモデルを構築し、ニュートリノ系においてTM1混合を実現すること。
• TeVスケールでの共鳴的レプトゲネシスによって、観測された宇宙のバリオン非対称性（BAU）を説明すること。
• ニュートリノ質量数の0νββ崩壊における有効マジョナナニュートリノ質量を予測し、その検出可能性を評価すること。
• 3σニュートリノ振動データ、特に非ゼロのθ13およびCP位相と整合すること。

提案手法

• 標準模型に2つの右手系ニュートリノおよびS4 × Z3 × Z2対称性に従う変換するフラバーフィールド（ϕl, φl, ϕν, φν, ψ, β, ρ）を追加する。
• フラバーフィールドに真空期待値（vev）を導入し、 charged レプトンおよびニュートリノ質量行列を生成する。ψのvevは、TM1混合の直交性条件を満たすように選択される。
• 見通し式 mν = −mD m⁻¹R mᵀD を用いて、軽いニュートリノ質量行列を導出し、TM1混合パターンを実現する。
• フラバー効果およびウォッシュアウト過程を含めた、右手系ニュートリノおよびレプトン数密度の連立ボルツマン方程式を数値的に解く。
• ULYSSESパッケージを用いて、CP非対称性εiαおよび崩壊率からバリオン非対称性ηBを計算する。
• 有効マジョナナ質量|⟨mee⟩|をmνの(1,1)成分として評価し、実験的感度と照らし合わせて予測範囲をマッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 S4対称性を持つ最小限の見通しモデルは、現在のニュートリノ振動データと整合するTM1混合パターンを実現できるか？
• RQ2 TeVスケールでの共鳴的レプトゲネシスは、観測値|ηB| ≈ 6.3 × 10⁻¹⁰と整合するバリオン非対称性を生成するか？
• RQ3 このモデルにおけるニュートリノ質量数の0νββ崩壊の有効マジョナナニュートリノ質量|⟨mee⟩|の予測範囲は何か？
• RQ4 フラバー効果および高次元項による非デゲネレートな右手法ニュートリノ質量は、CP非対称性およびバリオゲネシスにどのように影響するか？

主な発見

• モデルは、全ニュートリノ質量和が0.0576 eV < Σmi < 0.0599 eVの範囲にある正のニュートリノ質量階層を予測する。
• 有効マジョナナニュートリノ質量|⟨mee⟩|は2.6 meVから3.6 meVの範囲に予測され、現在および近い将来の0νββ実験の感度範囇を下回る。
• 分裂パラメータd ≈ 10⁻⁸を有する共鳴的レプトゲネシスは、TeVスケールの右手法ニュートリノの非平衡崩壊から、非ゼロで共鳴的に増幅されたCP非対称性を生成する。
• ボルツマン方程式の数値的解法により、バリオン非対称性|ηB| = 6.3 × 10⁻¹⁰が得られ、観測値と整合する。
• モデルは、θ13 ≠ 0およびδCP ≈ 1.09πを含む、ニュートリノ振動パラメータの3σ範囲をうまく満たす。
• TM1混合パターンの実現には、⟨ψ⟩·⟨φl⟩ = 0および⟨ψ⟩·⟨φν⟩ = 0という直交性条件が不可欠であり、TBM行列の23回転によって実現される。