[논문 리뷰] Leptogenesis from low energy CP violation in minimal left-right symmetric model

Xinyi Zhang|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 14.

Neutrino Physics Research참고 문헌 59인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 최소 왼쪽-오른쪽 대칭 모형(Minimal Left-Right Symmetric Model, MLRSM)에서 열적 렙토제네시스를 위한 메커니즘을 제안한다. 여기서 저에너지에서의 CP 위반, 특히 렙톤 혼합 행렬의 디르락 및 메조나나 상수 위반은 우주의 관측된 바리온 비대칭을 생성하는 유일한 원천이 된다. 렙톤 요카드 섹터에서 왼쪽-오른쪽 대칭이 유지되는 조건에서, 뉴트리노 디르락 결합 행렬은 저에너지 뉴트리노 매개변수로 완전히 결정되며, 고에너지 스케일의 임의의 위상은 제거된다. 버틀만 방정식의 수치적 해석을 통해 성공적인 렙토제네시스가 가능함을 확인하였으며, 일부 경우에서 디르락 CP 위상만으로도 충분하다. 이 모형은 향후 세대 뉴트리노 무이钐 이중베타 붕괴 실험에서 검증 가능하다.

ABSTRACT

<strong>Parallel Contributed Talk</strong> at the<br> "XIX International Workshop on Neutrino Telescopes"<br> on line - 18-26 February, 2021

연구 동기 및 목표

• 저에너지에서의 렙톤 혼합 행렬 내 CP 위반이 추가적인 고에너지 스케일 CP 위반 원천 없이도 관측된 우주의 바리온 비대칭을 생성할 수 있는지 탐구한다.
• 왼쪽-오른쪽 대칭이 유지되는 최소 왼쪽-오른쪽 대칭 모형(MLRSM) 내에서 열적 렙토제네시스에 있어 CP 위반 상수(디르락 및 메조나나 상수)의 역할을 조사한다.
• 왼쪽-오른쪽 대칭이 렙톤 요카드 섹터에서 유지될 경우, 뉴트리노 디르락 결합 행렬이 저에너지 뉴트리노 매개변수로 완전히 결정될 수 있는지 확인한다.
• 저에너지 CP 위반, 성공적인 렙토제네시스, 그리고 뉴트리노 무이钐 이중베타 붕괴 실험에서의 모형 탐색 가능성을 고려한 상호작용을 검토한다.
• 중성미자 디르락 결합 행렬이 저에너지 매개변수로 완전히 결정될 경우, 타입 I 및 타입 II 시즈와 메커니즘의 바리온 비대칭 생성 가능성 여부를 평가한다.

제안 방법

• 렙톤 요카드 섹터에서 왼쪽-오른쪽 대칭이 유지되도록 하여, 대칭을 일반화된 펄리티(P) 또는 전하 쌍대성(C)으로 식별하고, 저에너지 뉴트리노 질량과 혼합 각도로부터 뉴트리노 디르락 결합 행렬을 완전히 결정한다.
• 중성미자 및 렙톤 비대칭 밀도의 진화를 추적하기 위해 버틀만 방정식을 사용한 열적, 비색수 렙토제네시스 분석을 수행한다.
• 두 가지 별개의 렙톤 비대칭 기여원을 고려한다: 무거운 오른쪽 뉴트리노의 붕괴와 왼쪽 뉴트리노 힉스 트리플렛 스칼라의 붕괴.
• 다양한 질량 스펙트럼과 CP 위상 구성 조건에 대해 버틀만 방정식을 수치적으로 해석하며, 타입 I, 타입 II 또는 혼합 타입 I+II 시즈와 우세성의 경우를 포함한다.
• 게이지 보손(W, Z, H)과 페르미온(톱 쿼크, 오른쪽 뉴트리노)을 포함한 두 입자 붕괴 및 산란 과정에서 유도된 비율 밀도를 사용하며, 감소된 단면적과 열역학적 양자 상태 인자들을 통합한다.
• 중성미자 질량 스펙트럼을 mN2 = 2mN1, mN3 = 3mN1로 고정하여 CP 위상의 영향을 분리하고, 가장 가벼운 뉴트리노 질량과 CP 위상을 변화시켜 관측된 바리온 비대칭을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저에너지에서의 렙톤 혼합 행렬 내 CP 위반은 최소 왼쪽-오른쪽 대칭 모형에서 관측된 바리온 비대칭을 단독으로 생성할 수 있는가?
• RQ2 뉴트리노 디르락 결합 행렬이 저에너지 매개변수로 완전히 결정된 경우, 디르락 및 메조나나 CP 위상은 열적 렙토제네시스 성공 여부에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 왼쪽-오른쪽 대칭이 유지되는 조건에서, 무거운 오른쪽 뉴트리노와 왼쪽 뉴트리노 힉스 트리플렛 스칼라의 붕괴는 렙톤 비대칭에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 성공적인 렙토제네시스는 특히 가장 가벼운 뉴트리노 질량과 CP 위상과 관련하여 모형의 타당한 매개변수 공간에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ5 저에너지 CP 위반을 통한 렙토제네시스를 설명하는 동일한 모형이 향후 뉴트리노 무이钐 이중베타 붕괴 실험에서 검증 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 저에너지에서의 CP 위반—특히 렙톤 혼합 행렬 내 디르락 및 메조나나 상수 위반—은 최소 왼쪽-오른쪽 대칭 모형에서 관측된 바리온 비대칭을 성공적으로 생성할 수 있다.
• 일부 매개변수 영역에서는 디르락 CP 위상만으로도 필요한 렙톤 비대칭을 생성할 수 있으며, 고에너지 스케일에서의 추가 CP 위상은 필요하지 않다.
• 버틀만 방정식의 수치적 해석을 통해 관측된 바리온 비대칭(YB ≈ 8.72 × 10−11)은 다양한 뉴트리노 질량 스펙트럼과 CP 위상 값에서 달성 가능함을 확인하였다.
• 가장 가벼운 뉴트리노 질량이 0.01 eV로 고정되어 있어도 모형은 유의미하며, 바리온 비대칭은 CP 위상과 질량 순서에 따라 조절 가능하다.
• 저에너지 CP 위반, 렙토제네시스, 그리고 뉴트리노 무이钐 이중베타 붕괴 간의 상호작용은, 성공적인 렙토제네시스를 위한 타당한 모형이 향후 세대 뉴트리노 무이钐 이중베타 붕괴 실험에서 검증 가능하다는 것을 시사한다.
• 무거운 중성미자 질량 스펙트럼은 비대칭 생성의 시기와 크기에 상당한 영향을 미치지만, CP 위상 값이 적절히 조정된 경우, 다양한 계단형 질량 스펙트럼에서도 렙토제네시스의 성공은 견고하게 유지된다.