[논문 리뷰] Singlet Fermion Assisted Dominant Seesaw with Lepton Flavor and Number Violations and Leptogenesis

M. K. Parida, Bidyut Prava Nayak|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 112인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 왼쪽-오른쪽 대칭성 및 SO(10) 대Unified 이론에서 게이지 단일fermion이 유형-I 시즈모 기여를 억제함으로써 확장된 또는 역시즈모 유사 중성미온 질량이 지배적이게 되는 새로운 시즈모 메커니즘을 제안한다. 이 메커니즘은 테바 스케일의 $W_R$ 및 $Z_R$ 보손을 가능하게 하고, 관측 가능한 전하 레프톤 품질 위반과 가벼운 비열성 중성미온을 통한 $W_L-W_L$ 이중베타 붕괴를 예측하며, 준가시적 비열성 중성미온을 가진 공진형 렙토제네시스를 지원한다.

ABSTRACT

In a recent review Mohapatra has discussed how type-I seesaw mechanism suppressed by fine tuning of Yukawa couplings, or specific textures of associated fermion mass matrices, can form the basis of neutrino masses in TeV scale $W_R$ boson models. In this paper we review recent works in another class of theories where the added presence of fermion singlets manifesting as sterile neutrinos render the type-I seesaw contribution vanishing but extended seesaw dominant where the light neutrino mass formula is same as the classic inverse seesaw but all massive neutrinos are Majorana fermions. We also show domunance of linear seesaw, or double seesaw, or type-II seesaw in due to cancellation of type-I seesaw. Embeddings of this mechnism in supersymmetric as well as non-supersymmetric SO(10) with low or intermediate masses of $W_R$ or $Z_R$ bosons are discussed. We also discuss how this cancellation criteria has led to a new mechanism of type-II seesaw dominance which permits $U(1)_{B-L}$ breaking scale much smaller than the left-handed triplet mass. Out of a number of new observable predictions, the most visible ones are the dominant contribution to LFV decays and neutrinoless double beta decay mediated by light sterile neutrinos in the $W_L-W_L$ channel. These seesaw dominance mechanisms are applicable in the extensions of the SM and high, intermediate, or low scale left-right gauge theories with or without their SO(10) origin. Other recent works on the applications of this mechanism covering dark matter and leptogenesis are noted..

연구 동기 및 목표

• 게이지 단일fermion을 통해 표준형 유형-I 시즈모 기여를 억제함으로써 시즈모 메커니즘의 계층 문제를 해결하는 것.
• 왼쪽-오른쪽 및 SO(10) 모델에서 중성미온 질량 생성과 진동 데이터와의 일관성을 유지하면서도 테바 스케일의 $W_R$ 및 $Z_R$ 보손을 가능하게 하는 것.
• 이 메커니즘이 전하 레프톤 품질 위반(LFV), 이중베타 붕괴, 렙토제네시스에 미치는 영향을 탐구하는 것.
• 기존의 유형-II 시즈모 모델에 비해 $U(1)_{B-L}$ 붕괴 스케일을 상당히 낮출 수 있음을 보여주는 것.
• 몇 테바에서 1 테바 사이의 질량을 가지며 렙토론 수명 대칭성에 의해 보호되는 비열성 중성미온을 자연스럽게 제공하는 프레임워크를 마련하는 것.

제안 방법

• 우측 수동 중성미온 $N_i$ 와 혼합되는 게이지 단일fermion $S_i$ 를 도입하여, 상쇄 조건을 통해 유형-I 시즈모 기여를 억제하는 혼합 상태를 형성하는 것.
• 두 단계의 블록 대각화 절차를 적용하여, 유형-I 시즈모가 지배할 수 있는 상황에서도 가벼운 중성미온 질량 행렬이 역시즈모 형태로 지배되도록 유도하는 것.
• 유형-I 시즈모가 지배할 수 있도록 하는 조건인 $M_N > M >> M_D, u_S$ 를 사용하여, 시즈모 메커니즘이 확장된 시즈모 공식에 의해 지배되도록 하는 것. 여기서 $M_N$ 과 $M$ 은 우측 수동 메이저라 중성미온과 단일fermion 질량이다.
• 가벼운 중성미온 질량을 $M_ u = -M_D^T M_S^{-1} M_D$ 로 유도하며, 이는 역시즈모와 유사하지만 기원이 다름을 보여주는 것.
• 비초기 대칭 및 초대칭 SO(10) 모델 모두에 이 메커니즘을 적용하여, 게이지 커플링 통합 및 양성자 수명 제약 조건을 만족시키는지 확인하는 것.
• 현상학적 결과 분석: $W_L$ 과 $W_R$ 교환을 통한 LFV 붕괴, 가벼운 비열성 중성미온을 통해 매개되는 $W_L-W_L$ 이중베타 붕괴, 준가시적 비열성 중성미온을 통한 공진형 렙토제네시스.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왼쪽-오른쪽 및 SO(10) 모델에서 게이지 단일fermion을 도입함으로써 유형-I 시즈모 기여를 억제하고, 지배적인 확장된 시즈모 메커니즘을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 이 메커니즘의 현상학적 서명, 특히 전하 레프톤 품질 위반과 이중베타 붕괴에서의 특징은 무엇인가?
• RQ3 이 메커니즘은 $U(1)_{B-L}$ 붕괴 스케일을 기존의 왼쪽 수동 트리플렛 질량보다 훨씬 낮출 수 있는가? 이는 테바 스케일의 $W_R$ 및 $Z_R$ 보손이 LHC에서 관측 가능하게 하는가?
• RQ4 단일fermion 섹터에서 유래한 가벼운 비열성 중성미온은 $W_L-W_L$ 채널에서 이중베타 붕괴의 주요 기여에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 틀에서 테바 스케일의 준가시적 비열성 중성미온을 가진 공진형 렙토제네시스를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 유형-I 시즈모 기여는 상쇄 조건을 통해 억제되어, 가벼운 중성미온 질량이 역시즈모 공식에 의해 지배되는 지배적인 확장된 시즈모 메커니즘이 되었다.
• 가벼운 비열성 중성미온을 통한 $W_L$ 과 $W_R$ 교환 덕분에 $ au o e au$, $ au o \nu\bar{\nu}$, $ \nu \to e\tau$ 와 같은 전하 레프톤 품질 위반 붕괴가 현재 및 향후 실험에서 관측 가능할 것으로 예측된다.
• 이중베타 붕괴는 가벼운 비열성 중성미온을 통해 매개되는 $W_L-W_L$ 채널에서 지배적이며, 현재의 실험 한계에 도달하는 비율을 가진다.
• $U(1)_{B-L}$ 붕괴 스케일은 기존의 GUT/플랑크 스케일의 $W_R$ 질량 요구 조건과는 달리 테바 스케일로 낮출 수 있으며, 이는 $W_R$ 및 $Z_R$ 보손이 LHC에서 관측 가능하게 한다.
• 준가시적 비열성 중성미온이 몇 테바에서 1 테바 사이의 질량을 가지며, 다른 두 세대의 비열성 중성미온을 통해 공진형 렙토제네시스가 달성되며, 낮은 스케일에서 성공적인 바이오제네시스를 가능하게 한다.
• 게이지 단일fermion은 글로벌 렙토론 수명 대칭성에 의해 보호되어, 몇 테바에서 약 1 테바 사이의 낮은 질량 유지가 가능하며, 't Hooft의 자연성 원칙과 일치한다.