[论文解读] Lepton Number Violation with and without Majorana Neutrinos

Julian Heeck|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文探讨了规范性 $U(1)_{B-L}$ 对称性的三种不同实现方式：未破缺（导致狄拉克型中微子和中微子生成）、破缺两个单位（产生马约拉纳型中微子和热重子生成）、以及破缺四个单位（产生狄拉克型中微子并伴随 $\Delta L=4$ 轻子数破坏，以及一种新型狄拉克重子生成机制）。主要贡献在于对这些情形下可实验区分的信号进行了对比分析，尤其强调了在左右对称模型中可被强子对撞机探测到的 $\Delta L=4$ 过程。

ABSTRACT

We discuss the various incarnations of a gauged B-L symmetry: 1) unbroken, it features Dirac neutrinos, neutrinogenesis to create the baryon asymmetry of our Universe, and a potentially light Z' boson; 2) broken by two units, we obtain the standard case of Majorana neutrinos, seesaw and thermal leptogenesis; 3) broken by four units, we find Dirac neutrinos with lepton-number-violating interactions, which can give rise to a new Dirac leptogenesis mechanism. We review and discuss the signatures distinguishing the three scenarios.

研究动机与目标

• 探讨规范性 $U(1)_{B-L}$ 对称性如何解决标准模型的若干不足：中微子质量、重子不对称性以及暗物质问题。
• 对 $U(1)_{B-L}$ 的三种现象学上不同的实现方式进行分类与对比：未破缺、$\Delta(B-L)=2$ 破缺，以及 $\Delta(B-L)=4$ 破缺。
• 识别每种情形下可实验检验的信号，特别是重点聚焦于左右对称模型中 $\Delta L=4$ 过程在对撞机上的可观测信号。
• 证明尽管在最小模型中 $\Delta L=4$ 过程受到抑制，但在扩展的左右规范结构中仍可产生可观测信号。

提出的方法

• 通过引入右手中微子和 $Z'$ 玻色子，将标准模型中异常自由的全局 $U(1)_{B-L}$ 对称性推广为局部规范对称性。
• 分析三种情形：(1) 未破缺的 $U(1)_{B-L}$，伴随狄拉克型中微子和轻 $Z'$ 玻色子；(2) $\Delta(B-L)=2$ 破缺，通过 seesaw 机制产生马约拉纳型中微子；(3) $\Delta(B-L)=4$ 破缺，实现 $\Delta L=4$ 轻子数破坏的相互作用。
• 推导出在左右对称扩展中通过标量交换实现 $\Delta L=4$ 过程的有效算符，例如 $e_R^4 W_R^4$。
• 构建一个具有 $SU(2)_L \times SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$ 规范群的左右对称模型，引入 $\phi_R \sim (\mathbf{1},\mathbf{5},4)$ 和 $\chi_R \sim (\mathbf{1},\mathbf{3},-2)$ 标量粒子以介导 $\Delta L=4$ 相互作用。
• 从 $\phi_R^0$ 的真空期望值推导出 $W_R^\pm$ 和 $Z_R$ 的质量，表明 $M_{W_R} \sim g_R \langle \phi_R^0 \rangle$，从而实现高能标下的 $R$-宇称破坏。
• 提出对撞机信号，如在大型强子对撞机中发生的 $pp \to 4\ell^- + 4W^+$，以及在未来的同荷电轻子对撞机中发生的 $e^-e^- \to \ell^+\ell^+ + 4W^-$，用于探测 $\Delta L=4$ 过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 在未破缺情形下，规范性 $U(1)_{B-L}$ 对称性如何导致狄拉克型中微子质量与中微子生成？
• RQ2 在 $\Delta(B-L)=2$ 破缺（马约拉纳型中微子）与 $\Delta(B-L)=4$ 破缺（狄拉克型中微子伴随 $\Delta L=4$ 轻子数破坏）之间，其独特的现象学信号有何区别？
• RQ3 在左右对称模型中，$\Delta L=4$ 轻子数破坏是否能产生可观测的对撞机信号？若能，其主要产生过程为何？
• RQ4 $\Delta L=4$ 机制如何实现一种新型的狄拉克重子生成机制？它与标准热重子生成机制有何不同？
• RQ5 现有实验对 $\Delta L=4$ 过程有何约束？未来对撞机如何提升探测灵敏度？

主要发现

• 未破缺的 $U(1)_{B-L}$ 情形导致狄拉克型中微子、轻 $Z'$ 玻色子，以及通过中微子生成机制产生宇宙重子不对称性。
• 在 $\Delta(B-L)=2$ 情形中，seesaw 机制产生轻的马约拉纳型中微子，而通过重右手中微子的 $CP$ 破坏衰变实现的热重子生成可解释观测到的重子不对称性。
• $\Delta(B-L)=4$ 情形产生狄拉克型中微子并伴随 $\Delta L=4$ 轻子数破坏，从而实现一种不依赖马约拉纳质量的新狄拉克重子生成机制。
• 在最小模型中，$\Delta L=4$ 有效算符（如 $e_R^4 W_R^4$）受到抑制，但在引入 $\phi_R \sim (\mathbf{1},\mathbf{5},4)$ 和 $\chi_R \sim (\mathbf{1},\mathbf{3},-2)$ 标量的左右对称扩展中可被增强。
• 在左右对称模型中，$W_R^\pm$ 和 $Z_R$ 的质量由 $\langle \phi_R^0 \rangle \gg \langle H \rangle$ 产生，且满足 $M_{W_R} \sim g_R \langle \phi_R^0 \rangle$，从而实现高能标下的 $R$-宇称破坏。
• 对撞机信号如 $pp \to 4\ell^- + 4W^+$ 和 $e^-e^- \to \ell^+\ell^+ + 4W^-$ 为探测 $\Delta L=4$ 过程提供了可行的实验手段，可能成为超越 $0\nu\beta\beta$ 衰变的潜在发现通道。