[論文レビュー] Singlet Fermion Assisted Dominant Seesaw with Lepton Flavor and Number Violations and Leptogenesis

M. K. Parida, Bidyut Prava Nayak|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 112被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、左対称およびSO(10)のグランドユニフィケーション理論における、ゲージノードフェルミオンが型Iシー・サウの寄与を抑制する新しいスイマスメカニズムを提案する。これにより、拡張されたまたは逆シー・サウに類似したニュートリノ質量が支配的になる。このメカニズムにより、TeVスケールの$W_R$および$Z_R$ボソンが実現可能となり、観測可能な charged lepton flavor violation (LFV) および軽いステルシルニュートリノを介した$W_L-W_L$二重ベータ崩壊が予測される。さらに、準縮退したステルシルニュートリノによる共鳴的レプトゲネシスが可能である。

ABSTRACT

In a recent review Mohapatra has discussed how type-I seesaw mechanism suppressed by fine tuning of Yukawa couplings, or specific textures of associated fermion mass matrices, can form the basis of neutrino masses in TeV scale $W_R$ boson models. In this paper we review recent works in another class of theories where the added presence of fermion singlets manifesting as sterile neutrinos render the type-I seesaw contribution vanishing but extended seesaw dominant where the light neutrino mass formula is same as the classic inverse seesaw but all massive neutrinos are Majorana fermions. We also show domunance of linear seesaw, or double seesaw, or type-II seesaw in due to cancellation of type-I seesaw. Embeddings of this mechnism in supersymmetric as well as non-supersymmetric SO(10) with low or intermediate masses of $W_R$ or $Z_R$ bosons are discussed. We also discuss how this cancellation criteria has led to a new mechanism of type-II seesaw dominance which permits $U(1)_{B-L}$ breaking scale much smaller than the left-handed triplet mass. Out of a number of new observable predictions, the most visible ones are the dominant contribution to LFV decays and neutrinoless double beta decay mediated by light sterile neutrinos in the $W_L-W_L$ channel. These seesaw dominance mechanisms are applicable in the extensions of the SM and high, intermediate, or low scale left-right gauge theories with or without their SO(10) origin. Other recent works on the applications of this mechanism covering dark matter and leptogenesis are noted..

研究の動機と目的

• ゲージノードフェルミオンを導入することで、型Iシー・サウの寄与を抑制し、階層問題を緩和する。
• 左対称およびSO(10)モデルにおいて、ニュートリノ質量生成と振動データとの整合性を保ちつつ、TeVスケールの$W_R$および$Z_R$ボソンを実現する。
• このメカニズムがcharged lepton flavor violation (LFV)、二重ベータ崩壊、およびレプトゲネシスに与える影響を検討する。
• 従来の型IIシー・サウモデルと比較して、$U(1)_{B-L}$の対称性破れスケールを顕著に低下させられることを示す。
• 数GeVから1 TeVの間の質量を持つステルシルニュートリノを、レプトン数対称性によって保護される自然な枠組みとして提供する。

提案手法

• 右巻きニュートリノ$N_i$と混合するゲージノードフェルミオン$S_i$を導入し、キャンセル条件を満たすことで型Iシー・サウの寄与を抑制する。
• 2段階のブロック対角化手順を適用し、型Iシー・サウが支配的になる場合でも、軽いニュートリノ質量行列が逆シー・サウ形式に支配されるように導出する。
• 型Iシー・サウが支配的になるのを防ぐために、$M_N > M >> M_D, \nu_S$の条件を用いる。ここで$M_N$および$M$はそれぞれ右巻きメジャノラ質量およびノードフェルミオン質量である。
• 軽いニュートリノ質量を$M_\nu = -M_D^T M_S^{-1} M_D$として導出する。ここで$M_S$はノードフェルミオン質量行列であり、逆シー・サウに類似しているが、起源が異なる。
• 非超対称および超対称なSO(10)モデルへの実装を行い、ゲージ結合定数の統一および陽子崩壊の制約を満たすことを確認する。
• 素粒子物理学的結果を分析する：$W_L$および$W_R$交換によるLFV崩壊、軽いステルシルニュートリノを介した$W_L-W_L$二重ベータ崩壊、および準縮退したステルシルニュートリノによる共鳴的レプトゲネシス。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲージノードフェルミオンの導入により、左対称およびSO(10)モデルにおける型Iシー・サウの寄与を抑制し、拡張されたシー・サウメカニズムが支配的になるか。
• RQ2 このメカニズムの素粒子物理学的シグネチャー、特にcharged lepton flavor violation (LFV) および二重ベータ崩壊において、どのような特徴を示すか。
• RQ3 このメカニズムにより、左巻きトリプレット質量と比較して$U(1)_{B-L}$の対称性破れスケールを顕著に低下させられ、TeVスケールの$W_R$および$Z_R$ボソンがLHCで観測可能になるか。
• RQ4 ノードセクターから生じる軽いステルシルニュートリノが、$W_L-W_L$チャネルにおける二重ベータ崩壊の主な寄与に与える影響は何か。
• RQ5 準縮退したTeVスケールのステルシルニュートリノを用いて、この枠組みで共鳴的レプトゲネシスを達成できるか。

主な発見

• 型Iシー・サウの寄与はキャンセル条件により抑制され、軽いニュートリノ質量が逆シー・サウの式に支配される拡張されたシー・サウメカニズムが支配的になる。
• 軽いステルシルニュートリノの交換により、$ au \to e\tau$、$ au \to \nu\bar{\nu}$、および$ \to e\tau$のようなcharged lepton flavor violating崩壊が、現在および将来の実験で観測可能であると予測される。
• 二重ベータ崩壊は、軽いステルシルニュートリノを介した$W_L-W_L$チャネルによって支配され、現在の実験的制限に達する率を示す。
• $U(1)_{B-L}$の対称性破れスケールをTeVスケールまで低下させられ、従来のGUT/プランクスケールの$W_R$質量とは対照的に、LHCで$W_R$および$Z_R$ボソンを観測可能にする。
• 準縮退したステルシルニュートリノ（他の2つの世代）を用いた共鳴的レプトゲネシスが達成され、数GeVから1 TeVの質量範囲で、低スケールでの成功したバリオジェネシスが可能になる。
• ゲージノードフェルミオンはグローバルレプトン数対称性によって保護され、その質量が数GeVから約1 TeVの範囲で軽いままであることが保証され、't Hooftの自然性原理と整合する。