[논문 리뷰] Neutrinoless double beta decay and pseudo-Dirac neutrino mass predictions through inverse seesaw mechanism

Ram Lal Awasthi, M. K. Parida외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 21.

Neutrino Physics Research인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 역세우기 메커니즘에서 가벼운 페시도디랙 중성미오—질량이 120–500 MeV 사이—가 가상의 교환을 통해 무중성미오 이중베타 붕괴(0νββ)를 지배할 수 있으며, 그 기여가 중성미오 가상 운동량(~190 MeV)에 가까워질수록 증폭된다고 제안한다. 디랙 중성미오 질량 행렬이 쿼크-레프톤 대칭성을 띠면, 현재 실험에서 측정 가능한 렙톤 flavor 위반 붕괴를 예측한다.

ABSTRACT

In the inverse seesaw extension of the standard model, supersymmetric or non-supersymmetric, while the light left-handed neutrinos are Majorana, the heavy right-handed neutrinos are pseudo-Dirac fermions. We show how one of these latter category of particles can contribute quite significantly to neutrinoless double beta decay. The neutrino virtuality momentum is found to play a crucial role in the non-standard contributions leading to the prediction of the pseudo-Dirac fermion mass in the range of $120\, {MeV}-500\, {MeV}$. When the Dirac neutrino mass matrix in the inverse seesaw formula is similar to the up-quark mass matrix, characteristic of high scale quark-lepton symmetric origin, the predicted branching ratios for lepton flavor violating decays are also found to be closer to the accessible range of ongoing experiments.

연구 동기 및 목표

• 역세우기 프레임워크에서 페시도디랙 오른쪽 수동 중성미오가 기여하는 비표준적 기여를 0νββ에 대해 탐색한다.
• 표준적인 가벼운 메이조라나 중성미오 교환 외에 0νββ 붕괴 비율을 크게 증폭시킬 수 있는 가장 가벼운 페시도디랙 중성미오의 질량 범위를 규명한다.
• 디랙 중성미오 질량 행렬의 구조와 관측 가능한 렙톤 flavor 위반(LFV) 붕괴 간의 연관성을 조사한다.
• 모델이 게이지 상수 통합 및 파티-살람 또는 SO(10) 대통합 등 고에너지 대칭성과 일치하는지 평가한다.
• 0νββ 붕괴, 페시도디랙 중성미오 질량 측정, LFV 붕괴 분해비율을 통한 실험적 검증을 위한 사전 검증 가능한 예측을 규명한다.

제안 방법

• 역세우기 메커니즘은 세 개의 오른쪽 수동 중성미오와 세 개의 스테리르 페르미온을 각 세대에 포함하여 확장되며, 디랙 질량(MD), 무거운 디랙 질량(M), 스테리르 질량 항목(μS)을 포함하는 9×9 중성미오 질량 행렬을 형성한다.
• μS, MD ≪ M 조건 하에 블록 대각화를 통해 가벼운 중성미오 질량 행렬을 유도하며, 이는 역세우기 공식 mν ≈ (MD/M) μS (MD/M)†를 도출한다.
• 무거운 섹터는 μS에 의해 분리된 페시도디랙 쌍을 형성하며, 가장 가벼운 페시도디랙 상태가 가상의 교환을 통해 0νββ 붕괴에 기여하는지 분석한다.
• 가장 가벼운 페시도디랙 중성미오 질량 Mζ1에 따라 효과적인 0νββ 행렬 요소 |Mee|를 계산하며, |p| ≈ 190 MeV 근처에서 공진 증폭이 발생한다.
• 동일한 질량 행렬을 사용하여 렙톤 flavor 위반 붕괴 분해비율(μ→e+γ, τ→e+γ, τ→μ+γ)을 계산하고 현재 및 향후 실험 한계와 비교한다.
• 모델은 파티-살람 또는 SO(10) 통합에서 영감을 얻은 쿼크-레프톤 대칭 디랙 질량 행렬을 가정하여 테스트되며, 이는 0νββ 및 LFV 예측에 영향을 준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 역세우기 모델에서 가장 가벼운 페시도디랙 중성미오는 무중성미오 이중베타 붕괴에 지배적인 기여를 할 수 있는가?
• RQ2 비표준 기여를 0νββ 붕괴에 최대화하기 위해 가장 가벼운 페시도디랙 중성미오의 최적 질량 범위는 무엇인가?
• RQ3 중성미오 가상 운동량(~190 MeV)은 0νββ 붕괴 비율 증폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 예측된 렙톤 flavor 위반 붕괴 분해비율(μ→e+γ, τ→e+γ, τ→μ+γ)은 현재 및 향후 실험의 감도 범위 내에 있는가?
• RQ5 쿼크-레프톤 대칭성을 가진 디랙 중성미오 질량 행렬 기원은 0νββ와 LFV 예측 간의 상호작용에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 가장 가벼운 페시도디랙 중성미오 질량은 120–500 MeV 범위로 예측되며, 중성미오 가상 운동량과 일치하는 190 MeV 근처에서 0νββ 붕괴에 가장 강한 증폭 효과를 보인다.
• 정상 계열(NH) 중성미오 질량의 경우, 가장 가벼운 페시도디랙 질량이 169 MeV이고 η = |η|max/5일 때, 효과적인 0νββ 행렬 요소 |Mee|는 30배 증가한다.
• μ→e+γ의 예측 분해비율은 3.6×10⁻¹³이며, 현재 실험 한계(1.2×10⁻¹¹) 이하이지만 향후 실험의 감도(10⁻¹⁹) 내에 들어간다.
• τ→μ+γ의 예측 분해비율은 3.3×10⁻¹²이며, 현재 한계(4.4×10⁻⁸) 이하이지만 향후 실험의 감도가 10⁻⁹까지 가능하므로 접근 가능하다.
• 가장 가벼운 페시도디랙 중성미오 질량이 190 MeV로 설정될 경우, |Mee|에서 명확한 공진 증폭이 발생하며, 그림 5에 나타낸 바와 같이 효과적인 질량 예측에 피크가 나타난다.
• 이 프레임워크는 MSSM-GUT 스케일(MU ≈ 2×10¹⁶ GeV)에서 게이지 상수 통합과 일치하며, 표준 모형의 초대칭 확장에서의 타당성을 뒷받침한다.