[논문 리뷰] Implication of Sterile Fermions in Particle Physics and Cosmology

Michele Lucente|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 박사학위 논문은 표준모형을 확장하여 중성미온 질량 생성, 타당한 암흑물질 후보, 및 저에너지에서의 비대칭성 생성을 해결하기 위해 휠린 페르미온의 역할을 조사한다. 인버스 시즈모델을 통한 중성미온 질량 생성 메커니즘, 암흑물질 후보로서의 타당한 페르미온, 그리고 저에너지에서의 렙토제네시스를 통한 비대칭성 생성을 다룬다. 두 개의 오른쪽 페르미온과 세 개의 타당한 페르미온을 포함하는 최소한의 실현 가능성을 규명하였으며, 활성-타당 중성미온 진동을 통해 타당 중성미온이 관측된 암흑물질 잔여 밀도의 최대 43%를 설명할 수 있음을 보여주었다. 추가 기여는 높은 질량의 페어-디르악 쌍의 프리즈인 붕괴를 통해 가능하다.

ABSTRACT

The neutrino mass generation mechanism, the nature of dark matter and the origin of the baryon asymmetry of the Universe are three compelling questions that cannot be accounted for in the Standard Model of particle physics. In this thesis we focus on all these issues by providing a possible solution in terms of a minimal extension of the Standard Model, consisting in the addition of a set of sterile fermions to the field content of the theory. Sterile fermions are gauge singlet fields, that can interact via mixing with the active neutrinos. We focus on the Inverse Seesaw mechanism, which is characterised by a low (TeV or lower) new physics scale and that can be tested in current and future experimental facilities. We present the model building analysis that points towards the minimal realisations of the mechanism, and the phenomenological study in order to accommodate light neutrino masses and to impose all the relevant experimental constraints in the model, as well as the expected experimental signatures. We show the viability of the sterile neutrino hypothesis as dark matter component, together with the characteristic features of this scenario in the minimal Inverse Seesaw mechanism. The possibility of successfully accounting for the baryon asymmetry in a testable realisation of the leptogenesis mechanism is also addressed. On the other hand it is important to look for manifestations of sterile fermions in laboratory experiments. We address this point by making predictions for the expected rates of rare lepton number violating decays of vector bosons, that can be mediated by sterile fermions, as well as by studying the impact of sterile fermions on global fit of electroweak precision data.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 확장하여 중성미온 질량, 암흑물질, 그리고 빈도수 비대칭 문제를 해결하기 위한 타당 페르미온의 현상학적 함의를 탐색한다.
• 모든 실험적 및 천체물리적 제약 조건을 만족하는 최소한의 인버스 시즈모델 실현 가능성을 규명한다.
• 활성-타당 중성미온 진동과 프리즈인 과정을 통한 타당 페르미온의 암흑물질 후보로서의 타당성을 평가한다.
• 근사 렙톤 수의 대칭성이 저에너지 렙토제네시스 및 빈도수 비대칭성 생성을 가능하게 하는 역할을 조사한다.
• 전자약력 정밀도 관측치와 희귀 렙톤의 맛 위반 붕괴를 사용하여 타당 페르미온의 매개변수를 제약한다.

제안 방법

• 인버스 시즈모델 프레임워크 내에서 중성미온 질량 행렬의 펌프트라티브 대각화를 수행하여 다양한 질량 척도에서의 상태를 규명하였다.
• 3+1 및 3+2 혼합 체계를 포함하는 두 가지 최소한의 인버스 시즈모델 실현 가능성을 수치적으로 탐색하였다.
• 전자약력 정밀도 데이터의 글로벌 피팅을 통해 활성-타당 중성미온 혼합에 대한 제약 조건을 유도하였으며, 일반 시즈모델의 순환 보정을 포함하였다.
• 최소한의 ISS 모델에서 타당 페르미온이 매개하는 희귀 벡터 보손 붕괴(예: Z → ℓ⁺ℓ⁻, 쿼크오니아)에 대한 윌슨 계수를 계산하였다.
• 활성-타당 중성미온 진동에 의한 생성과 높은 질량의 페어-디르악 쌍의 프리즈인 붕괴를 통해 타당 페르미온 암흑물질의 잔여 밀도를 평가하였다.
• 저에너지 시즈모델에서 무거운 상태의 붕괴에 의한 엔트로피 주입이 암흑물질 잔여 밀도에 미치는 영향을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 개의 오른쪽 중성미온과 세 개의 타당 페르미온을 포함하는 최소한의 인버스 시즈모델이 동시에 중성미온 질량, 암흑물질, 그리고 빈도수 비대칭성을 설명할 수 있는가?
• RQ2 최소한의 ISS 설정에서 활성-타당 중성미온 진동을 통한 타당 페르미온의 암흑물질 잔여 밀도 기여의 최대 기여는 얼마인가?
• RQ3 일반 시즈모델에서의 순환 보정이 전자약력 정밀도 데이터로부터 활성-타당 중성미온 혼합에 대한 제약 조건에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 타당 페르미온이 매개하는 희귀 Z 보손 붕괴의 최대 분해비는 무엇인가? (Z → ℓ⁺ℓ⁻, 쿼크오니아 등)
• RQ5 인버스 시즈모델의 근사 렙톤 수 대칭성을 통한 저에너지 렙토제네시스가 관측된 빈도수 비대칭성을 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 두 개의 오른쪽 중성미온과 세 개의 타당 페르미온을 포함하는 최소한의 인버스 시즈모델은 관측된 중성미온 데이터를 수용하면서도 모든 실험적 및 천체물리적 제약 조건을 만족한다.
• 최소한의 ISS 설정에서 활성-타당 중성미온 진동을 통해 타당 페르미온은 관측된 암흑물질 잔여 밀도의 최대 43%를 설명할 수 있다.
• 더 무거운 페어-디르악 쌍의 붕괴에 의한 엔트로피 주입은 암흑물질 기여를 약간 증가시키지만, 정확한 잔여 밀도는 주로 높은 질량 상태의 프리즈인 붕괴 과정을 통해 달성된다.
• 타당 페르미온이 매개하는 희귀 Z 보손 붕괴의 최대 분해비는 최소한의 ISS 모델에서 현재 실험적 제약 범위 내에 있음을 계산하여 확인하였다.
• 이 연구는 저에너지 렙토제네시스를 위한 가장 최소한의 실현 가능 모델을 규명하였으며, 인버스 시즈모델 프레임워크 내에서 근사 렙톤 수 보존이 기하학적 스케일에서 성공적인 비대칭성 생성을 가능하게 한다.
• 일반 시즈모델에서의 순환 보정은 전자약력 정밀도 데이터로부터 활성-타당 혼합에 대한 제약 조건에 상당한 영향을 미치며, 철저한 글로벌 피팅이 필요하다.