[논문 리뷰] Probing the Origin of Neutrino Mass: from GUT to LHC

Goran Senjanović|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 대Unified 이론(GUTs)과 콜라이더 물리학을 통해 중성미자 질량의 기원을 조사하며, 최소한의 초대칭 SO(10) 및 SU(5) GUTs가 자연스럽게 큰 대기 중 혼합과 θ₁₃ ≈ 10°를 설명할 수 있음을 제안한다. 또한 LHC에서의 테르라볼트 스케일의 좌우 대칭성은 W_R 및 ν_R 서명을 통해 메이저라 중성미자 질량을 직접 탐사할 수 있으며, W_R의 발견 가능 범위는 최대 5.5 TeV, ν_R의 경우 100–1000 GeV이다.

ABSTRACT

Ever since the Majorana classic work, the nature of neutrino has been one of the central questions of the weak interaction physics. If neutrino is its own antiparticle, the immediate consequence is lepton number violation through the neutrinoless double beta decay. However, colliders such as the LHC offer a hope of seeing directly the same phenomenon, and moreover the Majorana nature of new particles needed to complete the Standard Model. I review here the salient features of these phenomena, and then turn to grand unification as a way of probing the scale of the relevant new physics. The minimal supersymmetric SO(10) theory basically eliminates the LHC physics, but leads naturally to the large atmospheric mixing angle and furthermore predicts $θ_{13} \simeq 10^\circ$ without any additional symmetries, in agreement with new T2K and MINOS data. It also assures that the R-parity is exact and thus leads to the stable LSP as a natural Dark Matter candidate. The minimal realistic SU(5) theory, on the other hand, predicts the light fermion triplet, below TeV, as a source of neutrino Majorana mass.

연구 동기 및 목표

• 초대칭과 콜라이더 물리학을 통해 미세한 중성미자 질량의 기원을 이해하기 위해.
• T2K/MINOS에서 관측된 큰 대기 중 혼합 각도와 θ₁₃ ≈ 10°가 추가적인 인위적 풍미 대칭 없이 최소한의 GUTs로 설명될 수 있는지 테스트하기 위해.
• LHC에서 W_R 및 오른쪽 수동 중성미자 서명을 통해 렙톤 수량 위반과 새로운 입자의 메이저라 성격을 직접 탐사할 수 있는지 가능성 탐색하기 위해.
• 최소한의 초대칭 SO(10) GUTs에서 R-대칭 보존과 어두운 물질 안정성의 역할 평가하기 위해.
• 테르라볼트 스케일의 페르미온 삼중항이 SU(5) GUTs에서 LHC에서 발견될 수 있으며, 중성미자 질량 행렬을 탐사하는 데 어떻게 활용될 수 있는지 파악하기 위해.

제안 방법

• 오른쪽 수동 중성미자(Type I), 약한 힉스 삼중항(Type II), 페르미온 삼중항(Type III)을 통한 시즈미 메커니즘을 사용하여 미세한 중성미자 질량을 생성한다.
• Higgs 다중항 10_H, 126_H, 210_H를 포함하는 최소한의 초대칭 SO(10) GUT을 적용하여 중성미자 혼합 각도와 질량에 대한 예측을 유도한다.
• W_R 및 ν_R 게이지 보손을 포함하는 좌우 대칭 모델을 분석하여, LHC에서 같은 전하의 이론 + 제트 서명을 예측한다.
• Drell-Yan 과정을 통한 pp 충돌에서 테르라볼트 스케일의 페르미온 삼중항 T의 생성 및 붕괴를 평가한다: pp → T⁺T⁰, T⁺T⁻.
• 중성미자 질량 행렬 식 m_ν = v²(Y_T²/m_T + Y_S²/m_S)을 사용하여 삼중항 결합과 중성미자 질량을 연결한다.
• 콜라이더 현상학을 수행하여 14 TeV LHC에서 통합 루미너시 30 및 300 fb⁻¹ 조건에서 W_R 및 ν_R의 발견 가능 범위를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소한의 초대칭 SO(10) GUTs가 추가적인 풍미 대칭 없이 큰 대기 중 혼합 각도와 θ₁₃ ≈ 10°를 자연스럽게 설명할 수 있는가?
• RQ2 좌우 대칭 모델에서 LHC에서 W_R 및 오른쪽 수동 중성미자의 발견 가능성이 어떻게 되는가?
• RQ3 최소한의 SU(5) GUTs에서 테르라볼트 스케일의 페르미온 삼중항이 LHC에서 발견될 수 있으며, 그 붕괴는 중성미자 질량 행렬을 어떻게 탐사하는가?
• RQ4 최소한의 SO(10) GUTs에서 R-대칭의 구조가 추가적인 인위적 대칭 없이 안정한 LSP를 어두운 물질 후보로 이끌어내는가?
• RQ5 LHC에서의 같은 전하의 이론 서명이 다양한 시즈미 메커니즘을 구분하고 렙톤 수량 위반을 어떻게 탐사할 수 있는가?

주요 결과

• 최소한의 초대칭 SO(10) GUTs는 추가적인 풍미 대칭 없이도 T2K 및 MINOS 데이터와 매우 잘 일치하는 θ₁₃ ≈ 10°를 예측한다.
• 이 모델은 파티-살람 쿼크-렙톤 대칭의 자발적 위반 덕분에 자연스럽게 큰 대기 중 혼합 각도와 작은 쿼크 혼합 각도를 생성한다.
• 최소한의 초대칭 SO(10) GUTs는 정확한 R-대칭을 보장하여 안정한 LSP를 생성하며, 이는 자연스러운 어두운 물질 후보가 된다.
• LHC는 30 fb⁻¹로 최대 4 TeV, 300 fb⁻¹로 최대 5.5 TeV까지 W_R 보손을 탐사할 수 있으며, ν_R 질량은 100–1000 GeV 범위이다.
• 최소한의 SU(5) GUTs에서 페르미온 삼중항은 테르라볼트 이하일 것으로 예측되며, LHC에서의 발견 가능 범위는 10 fb⁻¹일 경우 최대 450 GeV, 100 fb⁻¹일 경우 최대 700 GeV이다.
• 테르라볼트 스케일의 삼중항 T⁺T⁰ → lᵢ⁺lⱼ⁺ + 4 제트 붕괴는 그 결합 y_Tⁱ를 통해 직접적으로 중성미자 질량 행렬을 탐사할 수 있다.