[논문 리뷰] Lepton Number Violation with and without Majorana Neutrinos

Julian Heeck|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 $U(1)_{B-L}$ 대칭의 세 가지 서로 다른 실현 방식을 탐구한다: 비틀림이 없는 경우(디락 중성자와 뉴트리노 생성을 유도함), 두 단위로 깨지는 경우(메이저라 중성자와 열 립토제네시스를 유도함), 네 단위로 깨지는 경우(ΔL=4 립토수준 위반을 갖는 디락 중성자와 새로운 디락 립토제네시스 메커니즘을 유도함). 주요 기여는 이러한 시나리오를 구분하는 실험적 서명을 비교 분석한 것으로, 특히 좌우 대칭 모델에서 콜라이더로 접근 가능한 ΔL=4 과정을 강조한다.

ABSTRACT

We discuss the various incarnations of a gauged B-L symmetry: 1) unbroken, it features Dirac neutrinos, neutrinogenesis to create the baryon asymmetry of our Universe, and a potentially light Z' boson; 2) broken by two units, we obtain the standard case of Majorana neutrinos, seesaw and thermal leptogenesis; 3) broken by four units, we find Dirac neutrinos with lepton-number-violating interactions, which can give rise to a new Dirac leptogenesis mechanism. We review and discuss the signatures distinguishing the three scenarios.

연구 동기 및 목표

• 표준모형의 단점인 중성자 질량, 비대칭성, 암흑물질 문제를 해결할 수 있는 게이지화된 $U(1)_{B-L}$ 대칭의 가능성을 탐색한다.
• U(1)_{B-L}의 현상학적으로 구별되는 세 가지 실현을 분류하고 비교한다: 비틀림 없음, Δ(B-L)=2로 깨짐, Δ(B-L)=4로 깨짐.
• 각 시나리오에 대해 실험적으로 검증 가능한 서명(특히 좌우 대칭 모델에서의 ΔL=4 과정)을 규명한다.
• ΔL=4 과정는 최소 모델에서는 억제되지만, 확장된 좌우 게이지 구조에서는 관측 가능한 신호를 낼 수 있음을 보여준다.

제안 방법

• 표준모형의 이상이 없는 전역 $U(1)_{B-L}$ 대칭을 오른쪽 중성자와 $Z'$ 보존을 도입함으로써 국소 게이지 대칭으로 승격시킨다.
• 세 가지 경우를 분석한다: (1) 비틀림 없는 $U(1)_{B-L}$로 디락 중성자와 가벼운 $Z'$를 갖는다; (2) Δ(B-L)=2 깨짐으로 인해 시브 메커니즘을 통해 경량 메이저라 중성자가 생성된다; (3) Δ(B-L)=4 깨짐으로 인해 ΔL=4 립토수준 위반 상호작용이 가능해진다.
• 좌우 대칭 확장에서 스칼라 교환을 통한 ΔL=4 과정에 대한 효과적 연산자를 유도한다.
• SU(2)_L × SU(2)_R × U(1)_{B-L} 게이지 군을 갖는 좌우 모델을 구성하며, ΔL=4 상호작용을 매개하기 위해 $\phi_R \sim (\mathbf{1},\mathbf{5},4)$ 및 $\chi_R \sim (\mathbf{1},\mathbf{3},-2)$ 스칼라를 도입한다.
• ϕ_R^0의 기댓값에서 $W_R^\pm$ 및 $Z_R$ 질량을 유도하며, $M_{W_R} \sim g_R \langle \phi_R^0 \rangle$임을 보여, 고에너지 스케일의 R-대칭 위반 가능성을 확보한다.
• ΔL=4 과정를 탐지하기 위한 콜라이더 서명을 제안한다: LHC에서의 $pp \to 4\ell^- + 4W^+$ 및 향후 같은 전하의 립토수준 콜라이더에서의 $e^-e^- \to \ell^+\ell^+ + 4W^-$.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비틀림이 없는 경우에 게이지화된 $U(1)_{B-L}$ 대칭이 어떻게 디락 중성자 질량과 뉴트리노 생성을 유도하는가?
• RQ2 Δ(B-L)=2 깨짐(메이저라 중성자)과 Δ(B-L)=4 깨짐(ΔL=4 위반을 갖는 디락 중성자)의 현상학적 서명은 어떻게 다를까?
• RQ3 좌우 대칭 모델에서 ΔL=4 립토수준 위반이 관측 가능한 콜라이더 신호를 낳을 수 있는가? 만약 가능하면 주요 생성 채널은 무엇인가?
• RQ4 ΔL=4 메커니즘은 어떻게 새로운 형태의 디락 립토제네시스를 가능하게 하는가? 기존의 열 립토제네시스와는 어떻게 다를까?
• RQ5 기존 실험으로부터 ΔL=4 과정에 대한 제약 조건은 무엇이며, 향후 콜라이더는 감도를 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 비틀림 없는 $U(1)_{B-L}$ 경우는 디락 중성자, 가벼운 $Z'$ 보존, 그리고 우주의 기초 비대칭을 생성하는 뉴트리노 생성 메커니즘을 유도한다.
• Δ(B-L)=2 경우, 시브 메커니즘을 통해 경량 메이저라 중성자가 생성되며, 무거운 오른쪽 중성자의 CP 위반 붕괴를 통한 열 립토제네시스가 관측된 기초 비대칭을 설명할 수 있다.
• Δ(B-L)=4 경우, ΔL=4 립토수준 위반을 갖는 디락 중성자가 생성되며, 메이저라 질량에 의존하지 않는 새로운 디락 립토제네시스 메커니즘을 가능하게 한다.
• 최소 모델에서는 억제되는 효과적 ΔL=4 연산자들, 예를 들어 스칼라 교환을 통한 $e_R^4 W_R^4$는 좌우 대칭 확장에서 $\phi_R \sim (\mathbf{1},\mathbf{5},4)$ 및 $\chi_R \sim (\mathbf{1},\mathbf{3},-2)$ 스칼라로 인해 증폭될 수 있다.
• 좌우 모델에서 $W_R^\pm$ 및 $Z_R$ 질량은 $\langle \phi_R^0 \rangle \gg \langle H \rangle$ 조건에서 유도되며, $M_{W_R} \sim g_R \langle \phi_R^0 \rangle$로 표현되어 고에너지 스케일의 R-대칭 위반 가능성을 제공한다.
• 콜라이더 서명으로서의 $pp \to 4\ell^- + 4W^+$ 및 $e^-e^- \to \ell^+\ell^+ + 4W^-$는 ΔL=4 과정에 대한 실질적인 실험적 탐색 수단을 제공하며, 0νββ 붕괴를 초월한 잠재적 발견 채널이 될 수 있다.