[論文レビュー] Experimental and cosmological constraints on heavy neutrinos

Marco Drewes, Björn Garbrecht|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 195被引用数 31

ひとこと要約

この論文は、パイオンとWボソンの質量の間の低スケールの見せかけのスケールモデルを調査し、ニュートリノ振動とバリオン非対称性を説明できることを示している。実験的および宇宙論的制約を統合し、LHCb、BELLE II、SHiP、特に将来の円形衝突加速器で質量が数GeV程度の領域で発見可能であると予測している。

ABSTRACT

We study experimental and cosmological constraints on the extension of the Standard Model by three right handed neutrinos with masses between those of the pion and W-boson. This low scale seesaw scenario allows to simultaneously explain the observed neutrino oscillations and baryon asymmetry of the universe. We combine indirect experimental constraints from neutrinoless double $\beta$-decay, lepton flavour violation and neutrino oscillation data with bounds from past direct searches and big bang nucleosynthesis. For masses of a few GeV the heavy right handed neutrinos can be found in meson decays at LHCb, BELLE II or the proposed SHiP experiment, for larger masses they can be searched for in ATLAS and CMS. The chances for a discovery would be even better at a Future Circular Collider.

研究の動機と目的

• GeV領域の右手性ニュートリノを伴う低スケールの見せかけのスケール機構の妥当性を検討し、ニュートリノ質量生成とバリオン生成をつなぐ。
• このような重いニュートリノが、ニュートリノ無双ベータ崩壊、レプトンフラバー違反、および直接探索からの既存の実験的制限と整合するかを評価する。
• ビッグバン核合成（BBN）からの宇宙論的制約を用いて、重い右手性ニュートリノの性質と寿命を制限する。
• LHCb、BELLE II、SHiP、および将来の円形衝突加速器のような、これらの重いニュートリノを検出するための最適な発見チャンネルと実験装置を特定する。

提案手法

• ニュートリノ振動データ、ニュートリノ無双ベータ崩壊、およびレプトンフラバー違反からの間接的制約を組み合わせ、重い右手性ニュートリノの混合パラメータを制限する。
• 過去の実験からの直接探索限界を組み込み、中間子崩壊および高エネルギー衝突における重いニュートリノの生成および崩壊率を制限する。
• ビッグバン核合成（BBN）の制約を適用し、重いニュートリノの寿命および崩壊幅を制限することで、軽い元素の同位体割合に影響を与えないようにする。
• 生産断面積と崩壊サインチャーやモデル化を用いて、特定の実験（LHCb、BELLE II、SHiP、ATLAS、CMS）における重いニュートリノの発見可能性を評価する。
• 将来の円形衝突加速器（FCC）における発見可能性を予測し、より高い光度およびエネルギーにより感度が向上すると推定する。
• 3つの右手性ニュートリノを用いた見せかけのスケール機構を用い、小さなアクティブニュートリノ質量を生成するとともに、バリオン非対称性のためのレプトゲネシスを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GeV領域の右手性ニュートリノを伴う低スケールの見せかけのスケールモデルは、ニュートリノ振動と観測された宇宙のバリオン非対称性の両方を同時に説明できるか？
• RQ2 ニュートリノ無双ベータ崩壊、レプトンフラバー違反、およびビッグバン核合成からの組み合わせた制約は、重い右手性ニュートリノの混合および質量パラメータにどのような制限を課えるか？
• RQ3 LHCb、BELLE II、SHiP、または将来の円形衝突加速器の中で、GeV質量領域の重い右手性ニュートリノを発見するための最も有望な実験施設はどれか？
• RQ4 過去の実験からの直接探索限界は、このモデルにおける重いニュートリノの妥当なパラメータ空間にどのように影響を与えるか？
• RQ5 FCCのような将来の加速器では、現在のLHC実験と比較して、発見可能性にどのような向上が期待できるか？

主な発見

• 質量が数GeV程度の重い右手性ニュートリノは、LHCb、BELLE II、および計画中のSHiP実験で発見可能である。
• より高い質量では、LHCのATLASおよびCMSが高エネルギー陽子衝突を通じて妥当な発見チャンネルを提供する。
• 将来の円形衝突加速器は、光度およびエネルギーの向上により、発見可能性を顕著に向上させると予測されている。
• ビッグバン核合成からの宇宙論的制約は、重いニュートリノの崩壊幅および寿命を制限し、それらの豊度および軽い元素の合成への影響を制限している。
• ニュートリノ無双ベータ崩壊およびレプトンフラバー違反からの間接的制約は、大きな混合角の許容パラメータ空間をさらに狭めている。
• このモデルは、3つの右手性ニュートリノを用いた見せかけのスケール機構を通じて、小さなニュートリノ質量とバリオン非対称性を統一的に低スケールで説明でき、包括的な説明を提供している。