[논문 리뷰] Towards distinguishing Dirac from Majorana neutrino mass with gravitational waves

Stephen F. King, Danny Marfatia외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 08.

Neutrino Physics Research인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 중력파 스펙트럼을 이용해 Dirac과 Majorana 반입중성미자 질량 생성 메커니즘을 구분할 것을 제안한다: Dirac 시즈에서 도메인-벽으로 유도된 피크와 Majorana 시즈에서 우주선에 의해 유도된 평평한 스펙트럼으로 구분되며, NANOGrav의 함의가 있다.

ABSTRACT

We propose a new method towards distinguishing the Dirac versus Majorana nature of neutrino masses from the spectrum of gravitational waves (GWs) associated with neutrino mass genesis. Motivated by the principle of generating small neutrino masses without tiny Yukawa couplings, we assume generic seesaw mechanisms for both Majorana and Dirac neutrino masses. For Majorana neutrinos, we further assume a spontaneously broken gauged $U(1)_{B-L}$ symmetry, independently of the type of Majorana seesaw mechanism, which gives a cosmic string induced GW signal flat over a wide range of frequencies. For Dirac neutrinos, we assume the spontaneous breaking of a $Z_2$ symmetry, the minimal symmetry choice associated with all Dirac seesaw mechanisms, which is softly broken, generating a peaked GW spectrum from the annihilation of the resulting domain walls. In fact, the GW spectra for all types of Dirac seesaws with such a broken $Z_2$ symmetry are identical, subject to a mild caveat. As an illustrative example, we study the simplest respective type-I seesaw mechanisms, and show that the striking difference in the shapes of the GW spectra can help differentiate between these Dirac and Majorana seesaws, complementing results of neutrinoless double beta decay experiments. We also discuss detailed implications of the recent NANOGrav data for Majorana and Dirac seesaw models.

연구 동기 및 목표

• 시즈 메커니즘을 통해 극소 Yukawa 결합 없이도 작은 중성미자 질량에 동기를 부여한다.
• Dirac의 Z2 대칭 붕괴와 Majorana의 U(1)_{B−L} 대칭 붕괴가 서로 다른 GW 신호를 만들었다는 것을 보인다.
• Dirac 시즈가 도메인벽 소멸로부터 피크가 있는 GW 스펙트럼을 생성하는 반면, Majorana 시즈가 우주선을 통해 평평한 스펙트럼을 생성함을 보여준다.
• 현행 및 미래의 중력파 관측기들의 이 신호에 대한 감도를 평가하고 NANOGrav 데이터의 함의를 논의한다.

제안 방법

• Type-I 시즈에 의한 궁극적 Majorana 질량 생성과 U(1)_{B−L}의 게이징이 우주선 GW 배경(Eq. 5–12)을 유도하는지 분석한다.
• Z2 대칭 붕괴로 이끌리는 Dirac 시즈를 통한 Dirac 질량 생성이 도메인-벽 유도 GW를 발생시키는지(Eq. 24–27) 분석한다.
• 두 세팅에 대한 명시적 라그랑지안 및 질량 행렬(Eqs. 1–4)을 제시한다.
• 도메인-벽 긴장도, 바이어스 포텐셜, 그리고 소멸 타이밍을 유도해 피크 GW 진폭과 주파수를 얻는다(Eqs. 16–27, 24–27, 29–34).
• GW 스펙트럼을 계산하고 PTAs 및 다른 간섭계에 관련된 주파수 대역에서 에너지 밀도 형상(평평함 대 피크)을 비교한다.
• 현재 및 미래 실험(Eq. 35, Fig. 3–5)에 대한 SNR 지표를 통해 검출 가능성을 평가한다.

Figure 2: Gravitational wave spectrum induced by cosmic strings generated via the spontaneous breaking of the gauged $U(1)_{B-L}$ symmetry responsible for Majorana mass of the neutrinos. $\Lambda$ denotes the scale of symmetry breaking.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중력파의 스펙트럴 형태가 Dirac에서 Majorana 질량 생성 메커니즘을 구분할 수 있는가?
• RQ2 Dirac 도메인 벽과 Majorana 우주선에 연관된 특징적 GW 서명(피크 대 평평함)은 무엇인가?
• RQ3 NANOGrav과 같은 현재 PTA 결과가 Dirac 또는 Majorana 시즈 시나리오와 일치하는가, 그리고 어떤 미래 관측이 이를 시험할 수 있는가?
• RQ4 도메인-벽 GW를 검출 가능하게 하는 매개변수 공간(u, V_bias, λ 등)의 영역은 어떤가?
• RQ5 우주 논리적 갈등 없이 GW 신호를 검출할 수 있는 매개변수 공간은 어디인가?

주요 결과

• Majorana 질량 생성은 U(1)_{B−L} 우주선으로부터 거의 평평한 GW 스펙트럼을 넓은 주파수 범위에 걸쳐 유도한다.
• Z2 붕괴에 의한 Dirac 질량 생성은 도메인-벽 유도 GW 신호가 특징 주파수에서 피크를 가지도록 한다.
• NANOGrav와 같은 PTA 데이터는 Majorana-우주선 신호보다 Dirac-도메인벽 GW 신호에 더 자연스럽게 맞춰질 수 있다.
• 도메인-벽 GW를 SKA, μAres, LISA, AEDGE, DECIGO, BBO, AION, AEDGE 및 Advanced LIGO/Virgo, ET, CE의 다른 대역에서 검출 가능하게 하는 매개변수 공간의 제약된 영역이 존재한다.
• 벤치마크 포인트는 피크 주파수와 진폭이 현재 또는 가까운 미래의 GW 관측소들과 호환됨을 보여준다(Fig. 3–5, Table 1).

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