[論文レビュー] Dirac neutrinos, dark matter stability and flavour predictions from Lepton Quarticity

Salvador Centelles Chuliá|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、四重性（quarticity）と呼ばれる $Z_4$ レプトン数対称性を介して、ディラック型ニュートリノ質量と安定なWIMP暗黒物質を統一的な枠組みで結びつけるモデルを提案する。同じ $Z_4$ 対称性がメジャナ型質量項を禁止し、ニュートリノがディラック粒子のままであることを保証するとともに、複素スカラー $ζ$ の安定性を保証し、これが有望な暗黒物質候補となる。モデルはタイプIの見世物メカニズムにより小さなニュートリノ質量を実現し、$Δ_{27}$ や $A_4$ といった離散的フレーバー群と組み合わせることで、具体的な混合角やCP違反のパターンを予測する豊富なフレーバー予測を生成する。

ABSTRACT

We propose to relate dark matter stability to the possible Dirac nature of neutrinos. The idea is illustrated in a simple scheme where small Dirac neutrino masses arise from a type-I seesaw mechanism as a result of a $Z_4$ discrete lepton number symmetry. The latter implies the existence of a viable WIMP dark matter candidate, whose stability arises from the same symmetry which ensures the Diracness of neutrinos. The symmetry groups $Δ_{27}$ and $A_4$ are then used to extract a rich variety of flavour predictions.

研究の動機と目的

• ディラック型ニュートリノの性質と安定な暗黒物質の安定性を、共通の $Z_4$ レプトン数対称性によって結びつけること。
• この対称的枠組み内でのタイプIの見世物メカニズムを用いて、ニュートリノ質量の小ささを説明すること。
• 離散的フレーバー群 $\Delta_{27}$ や $A_4$ がニュートリノ混合行列における予測可能なフレーバー構造をどのように生成するかを調査すること。
• このモデル内で、CP違反やニュートリノ質量順序を含む、実験的に検証可能な予測を導出すること。

提案手法

• 右手系ニュートリノと重い中性レプトンを導入し、タイプIの見世物メカニズムを用いて小さなディラック型ニュートリノ質量を実現する。
• $Z_4$ レプトン数対称性（四重性）を課し、すべてのオーダーでメジャナ型質量項が禁止されることを保証し、ニュートリノがディラック粒子のままであることを確保する。
• 新しいスカラー場に $Z_4$ 電荷を割り当て、複素スカラー $\zeta$ に $Z_4$ 電荷 $\mathbf{z}$ を与える。この $\zeta$ は、$Z_4$ 電荷と崩壊カップリングの欠如により安定し、WIMP暗黒物質候補となる。
• フレーバー対称性群 $\Delta_{27}$ および $A_4$ を用いて、ヤクビカップリングを制約し、ニュートリノ混合角に対する具体的な予測を生成する。
• $\Phi$、$\chi$、$\eta$、$\zeta$ を含むスカラーポテンシャルを構築する。$\zeta$ のみが $Z_4$ 電荷と崩壊カップリングの欠如により安定である。
• 直接検出（ヒッグス交換を通じた）および見えないヒッグス崩壊を含む、モデルの物性的性質を分析し、暗黒物質の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WIMP暗黒物質候補の安定性を、1つの離散的対称性によってディラック型ニュートリノの性質と自然に結びつけられるか？
• RQ2 $Z_4$ 四重性対称性が、すべてのオーダーでメジャナ型質量項をどのように禁止し、ニュートリノのディラック性を保証するか？
• RQ3 $Z_4$ と $\Delta_{27}$ もしくは $A_4$ フレーバー群を組み合わせたとき、どのようなフレーバー構造が出現し、ニュートリノ混合角に対するどのような予測が得られるか？
• RQ4 このモデルが、CP違反や質量順序を含む観測されたニュートリノ混合パラメータを再現できるか、かつ小さなニュートリノ質量を維持できるか？
• RQ5 この枠組み内での暗黒物質候補 $\zeta$ の直接的および間接的検出シグナルは何か？

主な発見

• $Z_4$ 対称性が、すべてのニュートリノの電荷が非自明な $Z_4$ 電荷を持つ中性フェルミオンに起因し、すべてのオーダーでメジャナ型質量項が禁止され、ニュートリノがディラック粒子のままであることを保証する。
• 複素スカラー $\zeta$ は $Z_4$ 電荷 $\mathbf{z}$ を有しており、他のスカラーまたはフェルミオンとのカップリングがないため安定であり、妥当なWIMP暗黒物質候補となる。
• モデルはCP違反位相 $\delta_{CP}$ と大気混合角 $\theta_{23}$ の強い相関を予測し、$\theta_{23}$ が第二オクタントにあることを示唆する。
• $A_4$ フレーバー対称性の実現において、モデルは $\theta_{23}^\nu = 45^\circ$、$\delta^\nu = \pm 90^\circ$ を予測し、ニュートリノ質量順序は正常順序のみが許容される。
• クォークと電荷レプトン質量を結ぶ一般化された質量関係 $m_b / \sqrt{m_d m_s} \approx m_\tau / \sqrt{m_e m_\mu}$ が出現する。
• モデルはニュートリノ振動における顕著なCP違反を予測し、$J_{CP}$ と $\sin^2\theta_{23}$ が強く相関しており、$2\sigma$ 範囲内に一致する。