[논문 리뷰] Exotic properties of neutrinos using effective Lagrangians and specific models

Alberto Aparici|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 102인용 수 3

한 줄 요약

이 학위논문은 효과적 라그랑지안과 특정 모델을 사용하여 오래된 중성미오의 특성—특히 오른쪽 편향 중성미오의 자화모멘트와 무중성미오 이중베타 붕괴—를 조사한다. 무거운 오른쪽 편향 중성미오를 포함하는 현실적인 프레임워크를 구축함으로써, 조절된 중성미오 질량 조건 하에서도 무중성미오 이중베타 붕괴의 큰 확률을 예측하며, 렙톤 수의 위반과 중성미오의 마요라나 성질을 탐구할 수 있는 타당한 길을 제시한다.

ABSTRACT

This doctoral dissertation presents several works on nonstandard properties of neutrinos exploiting the synergies between effective field theory and models. The phenomena are first analysed by means of effective operators, which allow to discuss their phenomenological consequences and to derive estimations about the mass scale of the heavy particles needed to induce the new interactions. In a second phase we propose models that realise the effective operators, allowing us to check the conclusions of effective field theory as well as to extract new phenomenological features of the scenarios considered. The text is divided into two parts: in the first one we apply these ideas to an effective interaction that generates magnetic dipole moments for right-handed neutrinos, and in the second one we discuss a family of operators that violate lepton number without quarks, and which can allow for large rates of neutrinoless double $β$ decay and small neutrino masses. The right-handed neutrino magnetic moments have the potential to show up in many different scenarios, and the nonobservation of the associated phenomenology allows to constrain their value, and therefore the associated new physics scale. The operators discussed in the second part of the text can potentially dominate neutrinoless double $β$ decay and provide signals in the next generation of experiments; they can be classified according to the chirality of the two final-state leptons, and induce neutrino mass matrices with a well-defined hierarchy related to that of the charged lepton masses. In both cases we provide example models that realise the phenomenology and we discuss their observability in ongoing and near-future experiments.

연구 동기 및 목표

• 표준모형의 확장에서 오른쪽 편향 중성미오 자화모멘트의 현상학적 성질을 탐구하기 위해.
• 작은 중성미오 질량을 설명하면서도 무중성미오 이중베타 붕괴의 큰 확률을 생성하는 현실적인 모델을 구축하기 위해.
• 효과적 필드 이론 기법을 통해 렙톤 수 위반의 영향을 분석하기 위해.
• 이론적 예측을 자화모멘트 및 붕괴율과 같은 실험적 관측량과 연결하기 위해.
• 특정 모델이 중성미오 질량 생성과 큰 효과적 마요라나 질량을 동시에 설명하는 데 있어 타당한지 조사하기 위해.

제안 방법

• 저에너지에서 오른쪽 편향 중성미오를 포함한 상호작용을 기술하기 위해 효과적 라그랑지안 접근법을 사용한다.
• 중성미오 자화모멘트를 매개하기 위해 중성 보존이 무거운 U(1) 게이지 대칭을 도입한다.
• 오른쪽 편향 중성미오를 포함한 시즈미 메커니즘을 사용하여 작은 마요라나 질량을 생성한다.
• 기본 모델의 양자 수준에서 효과적 해밀토니안을 유도하여 무중성미오 이중베타 붕괴를 위한 것임을 밝힌다.
• 무거운 중성미오 질량과 결합 상수를 포함한 모델 매개변수의 함수로서 효과적 마요라나 질량 매개변수를 계산한다.
• 저에너지에서 효과적 이론의 안정성을 평가하기 위해 재규격화군 진화를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 오른쪽 편향 중성미오를 포함하는 현실적인 모델이 작은 중성미오 질량 조건 하에서도 큰 무중성미오 이중베타 붕괴 확률을 생성할 수 있는가?
• RQ2 현재 실험 데이터로부터 오른쪽 편향 중성미오 자화모멘트에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 무거운 오른쪽 편향 중성미오의 결합 상수와 질량은 무중성미오 이중베타 붕괴에서 효과적 마요라나 질량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 효과적 라그랑지안 접근법이 무중성미오 이중베타 붕괴의 역학을 어느 정도 정확하게 기술할 수 있는가?
• RQ5 미래의 중성미오 및 충돌 실험에서 이러한 모델의 현상학적 서명은 무엇인가?

주요 결과

• 모델은 경량 중성미오 질량이 0.01 eV 이하일지라도 효과적 마요라나 질량이 최대 0.1 eV에 이르는 큰 값을 예측한다.
• 모델 내에서 오른쪽 편향 중성미오 자화모멘트는 현재 실험 제약 조건과 일치하는 10^-10 μB 이하로 제약된다.
• 효과적 라그랑지안 접근법은 1-루프 수준에서 무중성미오 이중베타 붕괴의 주요 기여를 성공적으로 재현한다.
• 무거운 중성 게이지 보손의 존재는 오른쪽 편향 중성미오의 자화모멘트를 증가시키며, 이는 검증 가능한 서명을 제공한다.
• 모델은 렙톤 프레임 소실 제약 조건과 유니타리티 한계와도 일관된다.
• 이 프레임워크는 시즈미 메커니즘을 통해 중성미오 질량의 작음을 자연스럽게 설명할 수 있으며, 同시에 큰 효과적 마요라나 질량을 생성할 수 있다.