[논문 리뷰] Color Octet Leptogenesis

M. Losada, Sean Tulin|ArXiv.org|2009. 09. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 한 개의 고리에서 중성미자 질량을 생성하는 색 8형 페르미온과 스칼라의 붕괴를 통한 저스케일 렙토제네시스 메커니즘을 제안하며, CP 비대칭은 중성미자 질량에 의해 제약을 받지 않으며 큰 값을 가질 수 있다. 이는 $μ\to e\gamma$ 붕괴에서의 렙토니온 품질 위반 한계가 CP 비대칭을 강하게 제약하며, 이로 인해 유의미한 타당성을 확보하기 위해 8형 입자 질량이 테바르 스케일 근처여야 하며, 게이지 상호작용은 열적 생성을 강화하고 LHC에서의 검증 가능성을 높인다.

ABSTRACT

We study the implications for generating the cosmological baryon asymmetry through leptogenesis in the recent model of Fileviez Perez and Wise, which provides a new mechanism for generating neutrino masses at one-loop by introducing new color octet fermion and scalar fields. We find that there are significant differences with respect to other models for leptogenesis: low scale leptogenesis can occur naturally and the CP asymmetry can be large as there is no upper bound arising from neutrino masses. The CP asymmetry is insensitive to the phases in the neutrino mixing matrix. We investigate in detail the minimal model that can simultaneously fit low scale neutrino physics, the $μ o e γ$ bound and leptogenesis. The model can provide outstanding collider signatures and the value of the CP-asymmetry can be more constrained from lepton flavour violating processes than from neutrino physics.

연구 동기 및 목표

• 파일비에즈 페레즈와 와이즈 모형에서의 렙토제네시스를 탐구하며, 이는 새로운 색 8형 페르미온과 스칼라를 통해 한 개의 고리에서 메이저라 중성미자 질량을 생성한다.
• 작은 중성미자 질량에 의해 제약을 받지 않는다는 점을 감안할 때, 이 틀 안에서 저스케일 렙토제네시스가 타당한지 판단한다.
• 특히 $\mu\to e\gamma$를 포함한 렙토니온 품질 위반 과정이 CP 비대칭의 允許된 매개변수 공간에 미치는 영향을 평가한다.
• 열적 평형 상태에서도 렙토니온 비대칭을 유지하는 데 있어 강한 SU(3) 게이지 상호작용의 역할을 평가한다.
• 최소 모형에서의 콜라이더 서명과 전자기 정밀도 관측치로부터의 제약 조건을 규명한다.

제안 방법

• 모형은 SU(3) 색 8형 페르미온 $F$와 스칼라 $S$를 도입하며, $SU(3)_c$ 하에서 $\mathbf{8}$ 표현을 이루며, 렙토니온 이중체 $L_i$와 $S$와의 양자역학적 결합 상수 $y_{iab}$를 가진다.
• 렙토제네시스는 두 입자 붕괴 $F_1 \to S \ell_i$에 의해 주도되며, CP 비대칭 $\epsilon_{F_1}$은 나무 수준과 한 개의 고리 자기에너지 도형 간의 간섭으로 계산된다.
• CP 비대칭은 양자역학적 결합 상수의 곱의 허수부로부터 유도되며, $\epsilon_{F_1} \propto \textrm{Im}\left[(y_1 y_2^*)^2\right]$로 표현되며, 중성미자 혼합 위상과는 독립적이다.
• 모형은 $\epsilon_{F_1}$과 브랜치 비율 $\textrm{Br}(\mu\to e\gamma)$ 사이의 관계를 파라미터 스캔을 통해 분석하며, 실험적 제한 $\leq 1.2\times10^{-11}$을 적용한다.
• 효율 인자 $\eta$는 수치적으로 계산되지 않았지만, 강한 게이지 상호작용으로 인해 과도한 워시아웃 없이 열적 평형 상태를 유지하므로 $\mathcal{O}(1)$일 것으로 논리화된다.
• 최소 모형 외에 $\mathcal{N}_F=2$, $\mathcal{N}_S=3$인 확장된 모형을 탐색하여, 뉴트리노 질량 행렬 내 비대칭 $\lambda_{bc}$를 통해 렙토니온 품질 위반을 억제하면서도 큰 CP 비대칭을 유지하는 가능성을 조사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 색 8형 모형에서 전자기 스케일에서 작은 중성미자 질량에 의해 제약받지 않는 큰 CP 비대칭을 달성할 수 있는가?
• RQ2 실험적 제한 조건인 $\mu\to e\gamma$ 붕괴는 이 모형에서 CP 비대칭 $\epsilon_{F_1}$의 크기에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ3 강한 SU(3) 게이지 상호작용은 열적 평형 상태에서도 과도한 워시아웃을 방지할 수 있는가?
• RQ4 모형을 확장함으로써 렙토니온 품질 위반 과정을 억제하면서도 큰 CP 비대칭을 달성할 수 있는가?
• RQ5 최소 색 8형 렙토제네시스 모형에서의 주요 콜라이더 서명과 정밀도 제약 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 색 8형 모형에서의 CP 비대칭 $\epsilon_{F_1}$은 중성미자 질량에 의해 제약받지 않으며, 전자기 스케일에서도 큰 값을 가질 수 있다.
• CP 비대칭은 뉴트리노 혼합 행렬의 CP 위반 위상과 무관하여, 저에너지 중성미자 관측치와 분리된다.
• $μ\to e\gamma$ 붕괴의 브랜치 비율은 중성미자 물리학보다 $\epsilon_{F_1}$에 더 강력한 제약을 가하며, $\textrm{Br}(\mu\to e\gamma) \leq 1.2\times10^{-11}$을 요구한다.
• 유의미한 매개변수 영역을 확보하기 위해, 8형 입자 질량은 $\mu\to e\gamma$ 제약을 충족시키기 위해 최소 몇 테바르의 스케일이 되어야 하며, 렙토니온 품질 위반을 억제하기 위해 모형을 확장하지 않는 한 이를 충족시키기 어렵다.
• 강한 SU(3) 게이지 상호작용으로 인해 효율 인자 $\eta$는 $\mathcal{O}(1)$일 것으로 예상되며, 이는 과도한 워시아웃 없이 열적 평형 상태를 유지시킨다.
• 모형은 LHC에서의 특징적인 서명을 허용하며, 특히 $F$ 쌍 생성 및 붕괴에서 발생하는 같은 전하의 이론 렙토니온 최종 상태를 포함하여 검증 가능성을 높인다.