[논문 리뷰] Low Energy Signatures of the TeV Scale See-Saw Mechanism

Alejandro Ibarra, Emiliano Molinaro외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 03. 31.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 41

한 줄 요약

이 논문은 테바르크 스케일의 오른쪽 수반 중성자를 포함한 타입 I 시즈와 메커니즘을 조사하며, 중성자 진동 데이터와 $μ\to e+\gamma$ 붕괴 한계에 의해 그들의 표준모형 입자와의 결합이 엄격히 제약받음을 보여준다. 이러한 제약에도 불구하고 LHC에서의 발견 가능성이 억제되지만, 모형은 무중성자 이중베타붕괴를 GERDA 감도 수준까지 증가시키고, MEG 실험 감도 내에서 $μ\to e+\gamma$ 비율을 예측할 수 있어, 이들 과정이 테바르크 스케일의 시즈 물리학에 대한 핵심 간접 탐사 수단이 된다.

ABSTRACT

We study a type I see-saw scenario where the right-handed (RH) neutrinos, responsible for the light neutrino mass generation, lie at the electroweak scale. Under certain conditions, the strength of the charged and neutral current weak interactions of the Standard Model particles with the heavy RH neutrinos can be large enough to allow their production at the LHC, opening also the possibility of observing other low energy signatures of the new physics in the electroweak precision observables as well as in searches for rare leptonic decays or neutrinoless double beta decay. We argue that in this scenario the flavour structure of the neutrino Yukawa couplings is essentially determined by the low energy neutrino parameters, leading to fairly strong correlations among the new phenomena. In particular, we show that the present bound on the $μ o e +γ$ decay rate makes very difficult the observation of the heavy RH neutrinos at the LHC or the observation of deviations from the Standard Model predictions in the electroweak precision data. We also argue that all present experimental constraints on this scenario still allow i) for an enhancement of the rate of neutrinoless double beta decay, which thus can be in the range of sensitivity of the GERDA experiment even when the light Majorana neutrinos possess a normal hierarchical mass spectrum, and ii) for the predicted $μ o e+ γ$ decay rate to be within the sensitivity range of the MEG experiment.

연구 동기 및 목표

• 전기약력 스케일에서 오른쪽 수반(RH) 중성자가 포함된 타입 I 시즈 메커니즘의 저에너지 현상학을 분석하는 것.
• 중성자 진동 데이터와 $μ\to e+\gamma$ 붕괴 비율에서 유도된 오른쪽 수반 중성자의 결합에 대한 제약 조건을 규명하는 것.
• 이러한 제약 조건 하에서 LHC에서 오른쪽 수반 중성자를 관측할 수 있는지 평가하는 것.
• 이 시나리오에서 무중성자 이중베타붕괴($(ββ)_{0\nu}$) 및 $μ\to e+\gamma$ 붕괴 비율의 잠재적 증가 가능성을 평가하는 것.

제안 방법

• 분석은 오른쪽 수반 중성자가 테바르크 스케일에 있는 타입 I 시즈 메커니즘을 사용하며, 그들의 질량과 결합은 PMNS 혼합 행렬을 통해 저에너지 중성자 파rameters와 연결된다.
• 오른쪽 수반 중성자의 전하 및 중성류 결합은 PMNS 행렬과 중성자 요카다 결합 행렬에서 유도되며, 전체 척도는 가장 큰 요카다 고유값 $y$로 고정된다.
• 반사성 레프톤 간섭 위반 붕괴($μ\to e+\gamma$)는 오른쪽 수반 중성자를 포함한 1-루프 도형을 사용하여 계산되며, 진폭은 혼합 각도, CP 위상, 및 $y$로 표현된다.
• 전기약력 정밀도 관측량은 표준모형에서의 편차를 평가하기 위해 평가되며, 현재 실험적 한계에 의해 제약을 받는다.
• $(ββ)_{0\nu}$ 붕괴 진폭은 무거운 메이저라 중성자의 교환 기여를 포함하여 계산되며, 시즈 메커니즘에 의해 비율이 증가된다.
• 중성자 진동 데이터, $μ\to e+\gamma$ 한계, 전기약력 정밀도 데이터로부터의 제약 조건을 바탕으로 매개변수 공간을 스캔하여 타당한 영역을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 100–1000 GeV 범위의 질량을 가진 오른쪽 수반 중성자는 저에너지 중성자 데이터와 $μ\to e+\gamma$ 붕괴 한계의 제약 조건 하에서 LHC에서 생성될 수 있는가?
• RQ2 측정된 중성자 혼합 각도와 질량 제곱 차이가 무거운 오른쪽 수반 중성자의 전하 및 중성류 결합에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ3 정상 중성자 질량 계단조차도, 테바르크 스케일의 오른쪽 수반 중성자의 교환으로 무중성자 이중베타붕괴 비율이 얼마나 증가할 수 있는가?
• RQ4 이러한 오른쪽 수반 중성자가 생성하는 $μ\to e+\gamma$ 붕괴 비율은 향후 MEG 실험의 감도 범위 내에 있는가?
• RQ5 $μ\to e+\gamma$와 $(ββ)_{0\nu}$ 붕괴 비율 간의 상호작용은 테바르크 스케일의 시즈 메커니즘에 대한 일관된 서명을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 현재의 $μ\to e+\gamma$ 붕괴 비율에 대한 제약이 요카다 결합 $y$를 엄격히 제한하여, 무거운 오른쪽 수반 중성자의 전하류 및 중성류 결합이 LHC에서 관측 가능한 정도로 너무 작아진다.
• 조금 더 엄격한 $μ\to e+\gamma$ 제약 조건에도 불구하고, 모형은 무중성자 이중베타붕괴 비율을 상당히 증가시켜 정상 중성자 질량 계단조차도 GERDA 실험의 감도 범위 내에 들어오게 한다.
• 예측된 $μ\to e+\gamma$ 붕괴 비율은 향후 MEG 실험의 감도 범위 내에 남아 있어, 이는 테바르크 스케일의 시즈 물리학에 대한 핵심 간접 탐사 수단이 된다.
• $μ\to e+\gamma$와 $(ββ)_{0\nu}$ 붕괴 비율 간의 강한 상관관계는 동일한 중성자 혼합 파라미터와 요카다 결합에 의존하기 때문에 발생하며, 이는 탈기계 수치 $z$와 메이저라 위상의 독립적 추출을 제한한다.
• 작은 가벼운 중성자 질량을 재현하기 위해, 두 개의 무거운 오른쪽 수반 중성자가 정확한 렙톤 수명 보존 없이도 의사디라크 쌍을 형성해야 한다.
• 중성자 진동 데이터와 $μ\to e+\gamma$ 한계로부터의 제약 조건은 CC 및 NC 결합 $|(RV)_{\ell k}|$가 전체 척도를 제외하고는 고정되어 있음을 시사하며, 이는 결합의 독립적 조정 여지가 없다.