[論文レビュー] Towards distinguishing Dirac from Majorana neutrino mass with gravitational waves

Stephen F. King, Danny Marfatia+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2023

Neutrino Physics Research被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、重力波スペクトルを用いてディラック（Dirac）とマヨラナ（Majorana）ニュートリノ質量生成を識別することを提案する。ディラックシーズのためのドメイン壁によるピーク、マヨラナシーズのための宇宙線による平坦なスペクトル、NANOGrav の含意。

ABSTRACT

We propose a new method towards distinguishing the Dirac versus Majorana nature of neutrino masses from the spectrum of gravitational waves (GWs) associated with neutrino mass genesis. Motivated by the principle of generating small neutrino masses without tiny Yukawa couplings, we assume generic seesaw mechanisms for both Majorana and Dirac neutrino masses. For Majorana neutrinos, we further assume a spontaneously broken gauged $U(1)_{B-L}$ symmetry, independently of the type of Majorana seesaw mechanism, which gives a cosmic string induced GW signal flat over a wide range of frequencies. For Dirac neutrinos, we assume the spontaneous breaking of a $Z_2$ symmetry, the minimal symmetry choice associated with all Dirac seesaw mechanisms, which is softly broken, generating a peaked GW spectrum from the annihilation of the resulting domain walls. In fact, the GW spectra for all types of Dirac seesaws with such a broken $Z_2$ symmetry are identical, subject to a mild caveat. As an illustrative example, we study the simplest respective type-I seesaw mechanisms, and show that the striking difference in the shapes of the GW spectra can help differentiate between these Dirac and Majorana seesaws, complementing results of neutrinoless double beta decay experiments. We also discuss detailed implications of the recent NANOGrav data for Majorana and Dirac seesaw models.

研究の動機と目的

• シーズォー機構を介して超微小なYukawa結合を用いずに小さなニュートリノ質量を動機づける。
• 対称性破れパターン（Dirac は Z2、Majorana は U(1)_{B−L}）が異なる GW 署名を生むことを示す。
• Dirac seesaws は domain-wall 消滅からピークを持つ GW スペクトルを生み出し、Majorana seesaws は cosmic strings 由来の平坦なスペクトルを生むことを示す。
• これらの信号に対する現在および将来の重力波観測所の感度を評価し、NANOGrav データの含意について論じる。

提案手法

• 型-Iシーズォーによるマヨラナ質量生成を、ゲージ付き U(1)_{B−L} で解析し、宇宙線 GW 背景を導く（Eq. 5–12）。
• Z2 対称性の破れによる Dirac seesaw を解析し、domain-wall による GW を導く（Eq. 24–27）。
• 両方の設定に対して明示的なラグランジアンと質量行列を提供する（Eqs. 1–4）。
• domain-wall の張力、バイアスポテンシャル、消滅時期を導出し、ピーク GW 振幅と周波数を得る（Eqs. 16–27, 24–27, 29–34）。
• GWスペクトルを計算し、PTA や他の干渉計に関連する周波数帯でエネルギー密度形状（平坦 vs ピーク）を比較する。
• 現在および将来の実験における SNR 指標を用いて検出可能性を評価する（Eq. 35, Fig. 3–5）。

Figure 2: Gravitational wave spectrum induced by cosmic strings generated via the spontaneous breaking of the gauged $U(1)_{B-L}$ symmetry responsible for Majorana mass of the neutrinos. $\Lambda$ denotes the scale of symmetry breaking.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ディラックから Majorana ニュートリノ質量生成機構を区別するために、重力波のスペクトル形状は有効か？
• RQ2 ディラックドメイン壁と Majorana 宇宙線に関連する特徴的な GW 署名（ピーク型 vs 平坦型）は何か？
• RQ3 現在の PTA 結果（例：NANOGrav）は Dirac あるいは Majorana seesaw シナリオと整合するか、将来の観測で何を検証できるか？
• RQ4 ドメイン壁 GW を検出可能とするモデルパラメータ空間の領域（u, V_bias, λ など）はどこか、宇宙論的な衝突なしに。

主な発見

• Majorana 質量生成は U(1)_{B−L} 宇宙線 GW スペクトルをほぼ平坦な形で広い周波数範囲に渡って生じさせる。
• Z2 破れを伴う Dirac 質量生成は、domain-wall による GW 信号を生み出し、特徴的な周波数でピークを持つ。
• NANOGrav などの PTA データは、Majorana-cosmic-string 信号よりも Dirac-domain-wall GW 信号によってより自然に適合する可能性が高い。
• パラメータ空間には、domain-wall GW が SKA、μAres、LISA、AEDGE、DECIGO、BBO、AION、AEDGE、および Advanced LIGO/Virgo、ET、CE の他バンドで検出可能となる制約領域が存在する。
• ベンチマーク点は、現在または近接未来の GW 観測所（Fig. 3–5, Table 1）と整合するピーク周波数と振幅を示す。

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