[논문 리뷰] Small neutrino masses due to R-symmetry breaking for a small cosmological constant

Rhys Davies, Matthew McCullough|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 작은 우주상수를 달성하기 위해 필요로 하는 R-대칭 위반에 의해 자연스럽게 작은 디라크 중성자 질량이 유도되는 초대칭 모형을 제안한다. 테바 스케일의 초대칭 파art너를 가진 저에너지 초대칭 위반 시나리오에서는, 이 메커니즘이 초대칭 위반 스케일과 무관하게 중성자 질량을 생성하며, 순수하게 디라크 중성자를 예측하고, 양성자 스칼라 붕괴를 통한 맛별 복사 신호를 예측한다.

ABSTRACT

We describe a class of supersymmetric models in which neutrinos are kept light by an R-symmetry. In supergravity, R-symmetry must be broken to allow for a small cosmological constant after supersymmetry breaking. In the class of models described here, this R-symmetry breaking results in the generation of Dirac neutrino masses, connecting the tuning of the cosmological constant to the puzzle of neutrino masses. Surprisingly, under the assumption of low-scale supersymmetry breaking and superpartner masses close to a TeV, these masses are independent of the fundamental supersymmetry-breaking scale, and accommodate the correct magnitude. This offers a novel explanation for the vastly different scales of neutrino and charged fermion masses. These models require that R-symmetric supersymmetry exists at the TeV scale, and predict that neutrino masses are purely Dirac, implying the absence of neutrino-less double beta-decay. Interesting collider signals can arise due to charged scalars which decay leptonically, with branching ratios determined by the neutrino mixing matrix.

연구 동기 및 목표

• 새로운 작은 매개변수나 고에너지 스케일을 도입하지 않고도 중성자 질량의 작음을 설명하기 위해.
• 우주의 상수 조정 문제와 중성자 질량 기원을 R-대칭 위반을 통해 연결하기 위해.
• 저에너지 초대칭 위반 시나리오에서 중성자 질량이 자연스럽게 유도되는 메커니즘을 제안하기 위해.
• 무중성자 이중베타 붕괴 및 입자물리 실험에서 검증 가능한 서명을 예측하기 위해.
• 특정 가정 하에 디라크 중성자 질량이 초대칭 위반 스케일과 독립적임을 보여주기 위해.

제안 방법

• 중성자가 약한 스케일 질량을 얻는 것을 방지하는 R-대칭을 도입하여, 중성자가 가볍게 유지되도록 보장한다.
• 초중력에서 R-대칭 위반은 우주의 상수를 상쇄시키며, 동시에 디라크 중성자 질량을 생성한다.
• 저에너지 초대칭 위반과 테바 스케일의 초대칭 파트너를 가정하고, 관측된 값과 일치하기 위해 O(1)의 결합 상수를 확보한다.
• R-전하가 2인 스칼라 필드(비-대칭 필드)를 도입하여, 요카다 상호작용을 통해 중성자와 결합하고 직접 렙톤으로 붕괴할 수 있도록 한다.
• R-대칭 위반 항을 통해 중성자 질량 행렬을 유도하며, 이가 자연스럽게 작고 중성자 질량 스케일과 독립적임을 보여준다.
• collider 물리학적 성격을 분석하여, R-대칭 필드의 빛자기 스칼라가 PMNS 혼합 행렬에 의해 결정된 맛을 가진 고립된 렙톤으로 붕괴하는 데 초점을 맞춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성자 질량의 작음을 새로운 작은 매개변수나 고에너지 스케일 없이 설명할 수 있는가?
• RQ2 초대칭 모형에서 작은 우주상수와 작은 중성자 질량 사이에 자연스러운 연결 고리가 존재하는가?
• RQ3 저에너지 초대칭 위반 시나리오에서 R-대칭 위반은 적절한 크기의 디라크 중성자 질량을 생성할 수 있는가?
• RQ4 R-대칭 위반의 콜라이더 서명은 다른 초대칭 시나리오와 어떻게 구별되는가?
• RQ5 이 메커니즘은 무중성자 이중베타 붕괴의 부재를 예측하는가, 그리고 만약 그렇다면 어떤 조건에서인가?

주요 결과

• R-대칭 위반 덕분에 중성자 질량은 적절한 스케일(~0.1 eV)에서 자연스럽게 유도되며, 초대칭 위반 스케일과 무관하다.
• 모형은 순수하게 디라크 중성자를 예측하며, 이는 향후 실험에서 무중성자 이중베타 붕괴가 관측되지 않을 것임을 시사한다.
• 양성자 R-대칭 필드 스칼라의 붕괴는 PMNS 혼합 행렬에 의해 결정된 분포비율을 가지며, 맛별로 구분되는 최종 상태를 유도한다.
• 정상적인 중성자 질량 계단에서 붕괴는 주로 μ 및 τ 렙톤으로 일어나며, θ₁₃가 작을 경우 전자로의 붕괴 분포는 무시할 만큼 작다.
• R-대칭 필드 스칼라의 직접적인 렙톤 붕괴 모드가 지배적이며, 이는 mν₃/m₃/₂ ≳ 10⁻³일 때 자연스럽게 만족된다. 이는 SOHDM 등의 모형에서 자연스럽게 성립한다.
• 모형은 콜라이더 사건에서 고다중도 최종 상태를 예측하며, PMNS 행렬에 반영된 맛을 가진 고립된 렙톤을 특징으로 하는 독특한 서명을 제공한다.