[논문 리뷰] Resonant leptogenesis and TM$_1$ mixing in minimal Type-I seesaw model with S$_4$ symmetry

Bikash Thapa, Ng. K. Francis|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 05.

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한 줄 요약

이 논문은 TeV 스케일에서 TM1 중성미자 혼합과 공명 렙토제네시스를 실현하는 S4 대칭 최소 유형-I 레이저 모델을 제안한다. 수직 조건을 만족시키기 위해 유효한 필드 ψ를 도입함으로써, 모델은 정상 중성미자 질량 계단을 실현하고, 맛 보정된 보르츠만 방정식을 통해 |ηB| = 6.3 × 10⁻¹⁰의 비대칭성을 예측한다. 또한, 중성미자 없는 이중 베타 붕괴에 대한 효과적인 메이저라 중성미자 질량은 2.6–3.6 meV 사이로 예측된다.

ABSTRACT

We present an S$_4$ flavour symmetric model within a minimal seesaw framework resulting in mass matrices that leads to TM$_1$ mixing. Minimal seesaw is realized by adding two right-handed neutrinos to the Standard Model. The model predicts Normal Hierarchy (NH) for neutrino masses. Using the constrained six-dimensional parameter space, we have evaluated the effective Majorana neutrino mass, which is the parameter of interest in neutrinoless double beta decay experiments. The possibility of explaining baryogenesis via resonant leptogenesis is also examined within the model. A non-zero, resonantly enhanced CP asymmetry generated from the decay of right-handed neutrinos at the TeV scale is studied, considering flavour effects. The evolution of lepton asymmetry is discussed by solving the set of Boltzmann equations numerically and obtain the value of baryon asymmetry to be $\lvert \eta_B vert = 6.3 imes 10^{-10}$.

연구 동기 및 목표

• 중성미자 영역에서 TM1 혼합을 실현하는 S4 맛 대칭을 가진 최소 레이저 모델을 구축하는 것.
• TeV 스케일에서 공명 렙토제네시스를 통해 관측된 우주의 바이오닉 비대칭성(BAU)을 설명하는 것.
• 중성미자 없는 이중 베타 붕괴(0νββ)에 대한 효과적인 메이저라 중성미자 질량을 예측하고, 그 검출 가능성 평가를 수행하는 것.
• 3σ 중성미자 진동 데이터, 즉 비영인 θ13과 CP 위상과의 일관성을 확보하는 것.

제안 방법

• 표준 모형에 두 개의 오른쪽 수동 중성미자와 S4 × Z3 × Z2 대칭에 따라 변환되는 유효 필드(ϕl, φl, ϕν, φν, ψ, β, ρ)를 추가한다.
• 유효 필드에 진공 기대값(vev)을 도입하여 전하 렙톤 및 중성미자 질량 행렬을 생성하며, ψ의 vev는 TM1 혼합을 위한 수직 조건을 만족시키기 위해 선택된다.
• 레이저 공식 mν = −mD m⁻¹R mᵀD를 통해 가벼운 중성미자 질량 행렬을 유도하여, TM1 혼합 패턴을 도출한다.
• 맛 효과와 워시아웃 과정을 포함한 오른쪽 수동 중성미자 및 렙톤 수량 밀도의 연합 보르츠만 방정식을 수치적으로 해결한다.
• ULYSSES 패키지를 사용하여 CP 비대칭성 εiα와 붕괴 비율로부터 바이오닉 비대칭성 ηB를 계산한다.
• 효과적인 메이저라 질량 |⟨mee⟩|을 mν의 (1,1) 성분으로 평가하고, 실험 감도와의 대조를 위해 그 예측 범위를 맵핑한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 S4 대칭을 가진 최소 레이저 모델이 현재 중성미자 진동 데이터와 호환되는 TM1 혼합 패턴을 실현할 수 있는가?
• RQ2 TeV 스케일에서의 공명 렙토제네시스가 관측된 값 |ηB| ≈ 6.3 × 10⁻¹⁰과 일치하는 바이오닉 비대칭성을 생성하는가?
• RQ3 이 모델에서 중성미자 없는 이중 베타 붕괴에 대한 효과적인 메이저라 중성미자 질량 |⟨mee⟩|의 예측 범위는 무엇인가?
• RQ4 맛 효과와 고차원 항을 통한 비동일한 오른쪽 수동 중성미자 질량이 CP 비대칭성과 바이오제네시스에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모델은 총 중성미자 질량 합이 0.0576 eV < Σmi < 0.0599 eV 범위에 있는 정상 중성미자 질량 계단을 예측한다.
• 효과적인 메이저라 중성미자 질량 |⟨mee⟩|는 2.6 meV에서 3.6 meV 사이로 예측되며, 현재 및 근래의 0νββ 실험 감도 이하에 위치한다.
• 분열 파rameter d ≈ 10⁻⁸를 가진 공명 렙토제네시스는 TeV 스케일의 오른쪽 수동 중성미자 비균형 붕괴에서 비영인, 공명적으로 증폭된 CP 비대칭성을 생성한다.
• 보르츠만 방정식의 수치적 해석을 통해 바이오닉 비대칭성 |ηB| = 6.3 × 10⁻¹⁰를 도출하였으며, 관측된 값과 일치한다.
• 모델은 θ13 ≠ 0와 δCP ≈ 1.09π를 포함한 중성미자 진동 매개변수의 3σ 범위를 성공적으로 수용한다.
• TM1 혼합 패턴을 실현하기 위해 핵심적인 역할을 하는 수직 조건 ⟨ψ⟩·⟨φl⟩ = 0 및 ⟨ψ⟩·⟨φν⟩ = 0이며, 이는 TBM 행렬의 23-회전을 통해 달성된다.