[論文レビュー] Implication of Sterile Fermions in Particle Physics and Cosmology

Michele Lucente|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本博士論文は、標準模型の拡張において不活性フェルミオンが果たす役割を調査し、逆カスプ効果メカニズムによるニュートリノ質量生成、実現可能な暗黒物質候補、低スケールでのレプトン生成によるバリオン非対称性の3つの主要な謎を解明することを目的としている。2つの右手性ニュートリノと3つの不活性フェルミオンを有する最小実現が特定され、不活性ニュートリノが活性・不活性ニュートリノの振動を通じて観測された暗黒物質の残存密度の最大43％を説明可能であることが示された。さらに、重い偽ディラック対のフリーズイン崩壊による寄与も可能である。

ABSTRACT

The neutrino mass generation mechanism, the nature of dark matter and the origin of the baryon asymmetry of the Universe are three compelling questions that cannot be accounted for in the Standard Model of particle physics. In this thesis we focus on all these issues by providing a possible solution in terms of a minimal extension of the Standard Model, consisting in the addition of a set of sterile fermions to the field content of the theory. Sterile fermions are gauge singlet fields, that can interact via mixing with the active neutrinos. We focus on the Inverse Seesaw mechanism, which is characterised by a low (TeV or lower) new physics scale and that can be tested in current and future experimental facilities. We present the model building analysis that points towards the minimal realisations of the mechanism, and the phenomenological study in order to accommodate light neutrino masses and to impose all the relevant experimental constraints in the model, as well as the expected experimental signatures. We show the viability of the sterile neutrino hypothesis as dark matter component, together with the characteristic features of this scenario in the minimal Inverse Seesaw mechanism. The possibility of successfully accounting for the baryon asymmetry in a testable realisation of the leptogenesis mechanism is also addressed. On the other hand it is important to look for manifestations of sterile fermions in laboratory experiments. We address this point by making predictions for the expected rates of rare lepton number violating decays of vector bosons, that can be mediated by sterile fermions, as well as by studying the impact of sterile fermions on global fit of electroweak precision data.

研究の動機と目的

• 標準模型の拡張における不活性フェルミオンの効果的性質を、ニュートリノ質量、暗黒物質、バリオン非対称性の問題を解決するために探求すること。
• すべての実験的および宇宙論的制約を満たす最小実現の逆カスプ効果メカニズムを特定すること。
• 活性・不活性ニュートリノの振動およびフリーズイン過程を通じて、不活性フェルミオンが暗黒物質候補として実現可能であるかを評価すること。
• 近似的なレプトン数対称性が低スケールでのレプトン生成およびバリオン非対称性生成を可能にする役割を調査すること。
• 電弱精度観測量および希少なレプトンフラバー非保存崩壊を用いて、不活性フェルミオンのパラメータを制約すること。

提案手法

• 逆カスプフレームワーク内での異なるスケールの状態を特定するために、ニュートリノ質量行列の摂動的対角化を実施した。
• 3+1および3+2混合スキームの2つの最小逆カスプ実現におけるパラメータ空間の数値的探索を実施した。
• 一般カスプモデルにおけるループ補正を含めた、電弱精度データへのグローバルフィットを用いて、活性・不活性ニュートリノ混合に対する制約を導出した。
• 最小ISSモデルにおける不活性フェルミオンが媒介する、希少なベクトルボソン崩壊（例：Z → ℓ⁺ℓ⁻、クォーカリア）のウィルソン係数を計算した。
• 不活性フェルミオン暗黒物質の残存密度を、振動誘発生成および重い偽ディラック対のフリーズイン崩壊を通じて評価した。
• 低スケールカスプモデルにおける重い状態の崩壊からのエントロピー注入が、暗黒物質の残存密度に与える影響を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2つの右手性ニュートリノと3つの不活性フェルミオンを有する最小逆カスプモデルは、ニュートリノ質量、暗黒物質、バリオン非対称性を同時に説明可能か？
• RQ2 最小ISS設定における活性・不活性ニュートリノ振動を通じて、不活性フェルミオンが暗黒物質の残存密度に果たす最大寄与はどの程度か？
• RQ3 一般カスプモデルにおけるループ補正は、電弱精度データから得られる活性・不活性ニュートリノ混合に対する制約にどのように影響するか？
• RQ4 不活性フェルミオンが媒介する、Zボソンおよびクォーカリアの希少なレプトンフラバー非保存崩壊の最大分岐比は何か？
• RQ5 逆カスプモデルにおける近似的なレプトン数保存対称性を介した低スケールレプトン生成は、観測されたバリオン非対称性を生成可能か？

主な発見

• 2つの右手性ニュートリノと3つの不活性フェルミオンを有する最小逆カスプモデルは、観測されたニュートリノデータを満たしつつ、すべての実験的および宇宙論的制約を満たすことができる。
• 不活性フェルミオンは、最小ISS設定において、活性・不活性ニュートリノ振動を通じて、観測された暗黒物質の残存密度の最大43％を説明可能である。
• 重い偽ディラック対の崩壊からのエントロピー注入は、暗黒物質寄与をわずかに増加させるが、正しい残存密度は主に重い状態のフリーズイン崩壊過程によって達成される。
• 不活性フェルミオンが媒介する希少なZボソン崩壊（電子・ミューオン・タウレプトンへの崩壊）の最大分岐比が計算され、最小ISSモデルでは現在の実験的制約内に収まっていることが判明した。
• 本研究では、低スケールレプトン生成のための最も最小限の実現可能なモデルを同定し、逆カスプフレームワーク内での近似的なレプトン数保存が、ギグアスケールで成功したバリオジェネシスを可能にすることを示した。
• 一般カスプモデルにおけるループ補正は、電弱精度データからの活性・不活性混合に対する制約に顕著に影響を及ぼし、包括的フィットが不可欠であることが判明した。