[논문 리뷰] Leptogenesis in minimal predictive seesaw models

Fredrik Björkeroth, Francisco J. de Anda외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 오른쪽 수동 중성미자와 한 개의 텍스처 제로를 가진 최소 예측 가능한 시즈오프 모델을 제안하며, 단일 위상을 통해 저에너지에서의 CP 위반과 렙토제네시스를 연결한다. 이 모델은 n=3,4인 CSD(n) 모델이 관측된 우주의 기초 대비 비대칭성(BAU)을 성공적으로 생성함을 보여주며, 가장 가벼운 오른쪽 수동 중성미자 질량이 약 ~5×10¹⁰ GeV로 예측되는데, 이는 SUSY GUT와 실험적 힌트인 δ_CP ≈ -87°와 일치한다.

ABSTRACT

We estimate the Baryon Asymmetry of the Universe (BAU) arising from leptogenesis within a class of minimal predictive seesaw models involving two right-handed neutrinos and simple Yukawa structures with one texture zero. The two right-handed neutrinos are dominantly responsible for the "atmospheric" and "solar" neutrino masses with Yukawa couplings to $(ν_e, ν_μ, ν_τ)$ proportional to $(0,1,1)$ and $(1,n,n-2)$, respectively, where $n$ is a positive integer. The neutrino Yukawa matrix is therefore characterised by two proportionality constants with their relative phase providing a leptogenesis-PMNS link, enabling the lightest right-handed neutrino mass to be determined from neutrino data and the observed BAU. We discuss an $SU(5)$ SUSY GUT example, where $A_4$ vacuum alignment provides the required Yukawa structures with $n=3$, while a $\mathbb{Z}_9$ symmetry fixes the relatives phase to be a ninth root of unity.

연구 동기 및 목표

• 두 개의 오른쪽 수동 중성미자와 한 개의 텍스처 제로를 가진 최소 시즈오프 모델에서 렙토제네시스가 어떻게 일관되게 실현될 수 있는지 탐구하는 것.
• 저에너지에서 중성미자 혼합의 CP 위반과 우주의 기초 대비 비대칭성(BAU) 사이의 직접적 연결을 확립하는 것.
• CSD(n) 프레임워크 내에서 관측된 BAU와 중성미자 데이터를 바탕으로 가장 가벼운 오른쪽 수동 중성미자 질량 M₁을 결정하는 것.
• A₄×SU(5) 기반의 실현 가능한 SUSY GUT 모델을 구축하여 필요한 양자수 상수의 구조를 실현하고 렙토제네시스 위상에 자연스러운 값을 예측하는 것.

제안 방법

• 대기 및 태양 성분에 각각 (0,1,1)과 (1,n,n−2) 비례하는 양자수 상수를 가진 두 개의 오른쪽 수동 중성미자 시즈오프 메커니즘을 사용한다.
• PMNS 혼합 행렬과 중성미자 질량은 양자수 상수 a, b의 크기와 상대 위상 η = arg(a²/b²)에 의해 결정되며, 이는 저에너지에서의 CP 위반과 렙토제네시스를 모두 제어한다.
• 색깔에 따라 렙토제네시스를 계산하며, 붕괴 비대칭도 ϵ₁,μ와 ϵ₁,τ를 사용하고 비율 ϵ₁,μ/ϵ₁,τ = n/(n−2)이며, 동일한 워시아웃 매개변수 η₁,μ = η₁,τ를 가진다.
• 관측된 중성미자 혼합 각도와 질량 제곱 차이를 바탕으로 기초 대비 비대칭도 Y_B를 계산하며, M₁는 Y_B = (0.87±0.01)×10⁻¹⁰를 만족시키기 위해 제약된다.
• A₄ 진공 정렬과 ℤ₉ 대칭을 가진 SU(5) SUSY GUT 모델을 구성하여 CSD(3)의 구조를 실현하고, η = 2π/3를 얻는다.
• 모델은 M₁ ≈ 5×10¹⁰ GeV와 δ_CP ≈ -87°를 예측하며, 현재의 실험적 힌트와 일치한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 개의 오른쪽 수동 중성미자와 한 개의 텍스처 제로를 가진 최소 시즈오프 모델이 렙토제네시스를 통해 관측된 기초 대비 비대칭성을 성공적으로 생성할 수 있는가?
• RQ2 상대 위상 η = arg(a²/b²)는 저에너지에서의 CP 위반과 렙토제네시스를 연결하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 CSD(n) 프레임워크에서 성공적인 렙토제네시스가 가능한 n의 값은 무엇이며, 예측된 오른쪽 수동 중성미자 질량은 얼마인가?
• RQ4 실현 가능한 SUSY GUT 모델이 필요한 양자수 상수의 구조를 실현하고 렙토제네시스 위상에 자연스러운 값을 예측할 수 있는가?
• RQ5 기초 대비 비대칭성의 부호와 중성미자 진동에서의 CP 위반 위상 δ_CP 사이에 상관관계가 있는가?

주요 결과

• n=1일 경우(삼중 이분할 혼합에 해당함) 렙토제네시스는 실패하며, 붕괴율의 상쇄로 인해 비대칭도가 0이 된다.
• n≥3일 경우 전자 측면은 렙톤 비대칭에 기여하지 않으며, 뮌 및 타우 비대칭의 비율은 ϵ₁,μ/ϵ₁,τ = n/(n−2)이다.
• 뮌 및 타우 측면의 워시아웃 매개변수는 동일하다: η₁,μ = η₁,τ로, 이는 최종 기초 대비 비대칭도 계산을 단순화한다.
• 모델은 CSD(3) 및 CSD(4)에서 가장 가벼운 오른쪽 수동 중성미자 질량 M₁ ≈ 5×10¹⁰ GeV를 예측하며, 관측된 BAU와 일치한다.
• A₄×ℤ₉ 대칭을 가진 SU(5) SUSY GUT 모델은 자연스럽게 CSD(3)를 실현하며, η = 2π/3로 인해 δ_CP ≈ -87°를 예측한다. 이는 현재의 실험적 힌트와 일치한다.
• 기초 대비 비대칭성의 부호는 CP 위반의 부호와 상관관계가 있다: 양의 Y_B는 sinη > 0를 의미하며, 이는 sinδ_CP < 0로 이어지고 관측된 경향과 일치한다.