[논문 리뷰] On the Minimal Mixing of Heavy Neutrinos

Marco Drewes|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 111인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 유형-I 시즈모델에서 무거운 중성미오 혼합에 대한 제약 조건을 재평가하며, 중성미오 질량이 거의 일치하지 않는 한, 어떤 표준모형 생성에도 무거운 중성미오의 개별 혼합에 하한선이 존재하지 않는다는 것을 보여준다. 핵심 결과는 각 무거운 중성미오에 대한 총 혼합(모든 생성에 대해 합산)에 하한선이 존재하며, 이 하한선은 가장 가벼운 활성 중성미오 질량과 무거운 중성미오의 수에 따라 달라진다는 것이다. 이는 콜라이더 및 고정표적 실험에서 특정 중성미오 질량 범위를 탐색하거나 배제하는 데 영향을 미친다.

ABSTRACT

We revisit the constraints on the properties of right handed neutrinos from the requirement to explain the observed light neutrino oscillation data in the type-I seesaw model. We use well-known relations to show that there is in general no lower bound on the mixing of a given heavy neutrino with any individual Standard Model generation. Lower bounds quoted in the literature only apply if the masses of the heavy neutrinos are so degenerate that they cannot be distinguished experimentally. A lower bound on the total mixing (summed over Standard Model generations) can be derived for each heavy neutrino individually, but it strongly depends on the mass of the lightest Standard Model neutrino and on the number of heavy neutrinos that contribute to the seesaw mechanism. Our results have implications for the perspectives of future colliders or fixed target experiments to rule out certain mass ranges for heavy neutrinos.

연구 동기 및 목표

• 기존의 시즈모 관계를 사용하여 유형-I 시즈모델에서 무거운 중성미오 혼합에 대한 제약 조건을 재표현하기.
• 특히 질량의 일치성에 관해 하한선이 존재하는 조건을 명확히 하기.
• 모든 표준모형 생성에 대해 합산된 총 혼합(각 무거운 중성미오에 대해)에 하한선을 도출하며, 이 하한선은 가장 가벼운 활성 중성미오 질량과 무거운 중성미오의 수에 따라 달라진다.
• 미래의 콜라이더 및 고정표적 실험에서 특정 중성미오 질량 범위를 탐색하거나 배제하는 데 미치는 영향 평가하기.

제안 방법

• 빛중성미오 질량을 양자역학적 쌍대관계 $ m_{\nu} = -v^2 F M_M^{-1} F^T $ 를 통해 양자역학적 쌍대관계 $ F $ 와 메이저라 질량 $ M_M $ 과 연결한다.
• 나무 수준 근사 $ \theta = v F M_M^{-1} $ 를 적용하며, 여기서 $ \theta $ 는 왼손과 오른손 중성미오 간 혼합을 측정한다.
• 혼합 매개변수 $ U_{ai}^2 = |\theta_{ai}|^2 $ 와 $ U_i^2 = \text{sum over } a \text{ of } U_{ai}^2 $ 를 정의하며, 이는 중성미오 $ N_i $ 의 총 상호작용 강도를 나타낸다.
• 무거운 중성미오 질량의 격리가 빛중성미오 질량보다 크면 성립하는 극한 $ U_N \to 1 $ 을 고려한다.
• 빅뱅 핵합성(Big Bang Nucleosynthesis, BBN) 제약 조건을 통합하여, 어떤 수의 무거운 가족이 존재하든 간에 $ U_i^2 $ 에 하한선을 도출한다.
• 일반적인 가정 하에 반사적 보정과 $ U_N $ 혼합 효과를 무시하며, 이들이 $ U_{ai}^2 $ 에 미치는 영향이 무시할 만큼 작다는 것을 정당화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무거운 중성미오 $ N_i $ 가 특정 표준모형 생성 $ a $ 와 혼합하는 $ U_{ai}^2 $ 에 하한선이 존재하는가?
• RQ2 무거운 중성미오가 모든 표준모형 생성과 혼합하는 총 혼합 $ U_i^2 $ 에 하한선이 존재하는 조건은 무엇인가?
• RQ3 가장 가벼운 활성 중성미오 질량이 $ U_i^2 $ 의 하한선에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 무거운 중성미오 가족의 수는 $ U_i^2 $ 의 하한선을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 BBN 제약 조건은 무거운 중성미오에 대한 $ U_i^2 $ 의 하한선에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 무거운 중성미오 질량이 거의 일치하지 않는 한, 어떤 표준모형 생성에도 특정 무거운 중성미오의 혼합 $ U_{ai}^2 $ 에 하한선이 존재하지 않는다.
• 무거운 중성미오가 모든 표준모형 생성과 혼합하는 총 혼합 $ U_i^2 $ 에 하한선이 존재하며, 이 하한선은 가장 가벼운 활성 중성미오 질량과 무거운 중성미오의 수에 따라 달라진다.
• 가장 가벼운 중성미오 질량이 감소할수록, 그리고 무거운 중성미오 가족의 수가 증가할수록 $ U_i^2 $ 의 하한선은 증가한다.
• BBN 제약 조건을 포함하면, 어떤 수의 무거운 가족이 존재하든 간에 $ U_i^2 $ 에 하한선이 도출되며, 이는 모델에 종속되지 않는 제약 조건이 된다.
• 무거운 중성미오 질량 행렬을 대각화하는 행렬 $ U_N $ 는 그 요소가 크더라도, 질량 격리가 작지 않은 한 $ U_{ai}^2 $ 에 영향을 주지 않는다.
• 반사적 보정과 $ U_N $ 혼합 행렬은 $ U_{ai}^2 $ 를 둘러싼 결론에 대해 질적으로 무시할 수 있는 영향을 미치며, 이는 주요 분석에서 이를 생략하는 데 정당성을 부여한다.