[논문 리뷰] Models of Neutrino Mass, Mixing and CP Violation

Stephen F. King|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 07.

Neutrino Physics Research참고 문헌 71인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 비아벨离산 색다리 대칭과 세이프 메커니즘, 그리고 자발적 CP 위반을 조합하여 중성미자 질량, 혼합 각도, 그리고 CP 위반을 예측 가능한 프레임워크로 제안한다. 이는 $A_4 \times SU(5)$ 초대칭 GUT 모델과 같은 모델에서 제약 조건을 가진 순차적 우세성(CSD)이 정밀한 예측—예를 들어 정상적인 중성미자 질량 계단, $\theta_{23} \approx \pi/4$, $\delta_{CP} \sim -\pi/2$—을 도출함을 보여주며, 이는 향후 중성미자 진동 실험에서 검증 가능하다.

ABSTRACT

In this topical review we argue that neutrino mass and mixing data motivates extending the Standard Model to include a non-Abelian discrete flavour symmetry in order to accurately predict the large leptonic mixing angles and CP violation. We begin with an overview of the Standard Model puzzles, followed by a description of some classic lepton mixing patterns. Lepton mixing may be regarded as a deviation from tri-bimaximal mixing, with charged lepton corrections leading to solar mixing sum rules, or tri-maximal lepton mixing leading to atmospheric mixing rules. We survey neutrino mass models, using a roadmap based on the open questions in neutrino physics. We then focus on the seesaw mechanism with right-handed neutrinos, where sequential dominance (SD) can account for large lepton mixing angles and CP violation, with precise predictions emerging from constrained SD (CSD). We define the flavour problem and discuss progress towards a theory of flavour using GUTs and discrete family symmetry. We classify models as direct, semidirect or indirect, according to the relation between the Klein symmetry of the mass matrices and the discrete family symmetry, in all cases focussing on spontaneous CP violation. Finally we give two examples of realistic and highly predictive indirect models with CSD, namely an A to Z of flavour with Pati-Salam and a fairly complete $A_4 imes SU(5)$ SUSY GUT of flavour, where both models have interesting implications for leptogenesis.

연구 동기 및 목표

• 표준 모형을 초월한 이론을 통해 중성미자 진동 데이터에서 관측된 큰 렙톤 혼합 각도와 CP 위반을 일관되게 설명하기 위해.
• 대통합이론(GUTs)과 이산 가족 대칭을 기반으로 한 예측 가능한 모델을 구성하여 색다리 문제를 해결하기 위해.
• 하나의 대칭 메커니즘을 통해 물질-반물질 비대칭 생성(레프토제네시스)과 저에너지에서의 CP 위반을 통합하여 중성미자 혼합에서의 CP 위반을 설명하기 위해.
• 특히 $A_4$와 $A_4 \times SU(5)$ 대칭을 가진 간접 모델을 개발하여, 최소한의 입력 매개변수로 관측된 혼합 패턴을 재현하는 고도로 예측 가능한 모델을 만들기 위해.
• 특히 반응기 각도 $\theta_{13}$, 대기 혼합 각도의 2차 옥타트, Dirac CP 위상 $\delta_{CP}$를 포함한 실험 데이터와의 일치 여부를 검토하여 이러한 모델의 타당성을 시험하기 위해.

제안 방법

• 두 개 또는 세 개의 오른쪽 회전 중성미자를 포함한 세이프 메커니즘을 사용하여 순차적 우세성(SD)과 제약 조건을 가진 순차적 우세성(CSD)을 통해 작은 중성미자 질량을 생성한다.
• 비아벨 이산 가족 대칭(예: $A_4$, $S_4$, $A_5$)을 적용하여 양자 쿠퍼 결합과 중성미자 질량 행렬을 제약한다.
• 복소 진공 정렬을 통한 자발적 CP 위반을 구현하여, CP 위반이 진공 기대값의 위상에서 기인하도록 보장한다.
• 질량 행렬의 클라인 대칭과 기초 가족 대칭 간의 관계에 따라 모델을 직접, 반직접, 간접으로 분류한다.
• 가족 대칭이 완전히 파괴되는 현실적인 GUT 모델—예를 들어 $A_4 \times SU(5)$ 초대칭 GUT와 Pati-Salam 기반의 A to Z of flavour—을 구축하여 새로운 진공 정렬이 가능하도록 한다.
• 차가운 렙톤 보정을 통한 타삼각형 혼합 또는 삼최대 혼합 패턴에서 태양 및 대기 혼합 각도의 합 규칙을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 표준 모형을 초월한 예측 가능한 프레임워크 내에서 큰 렙톤 혼합 각도와 CP 위반을 일관되게 설명할 수 있는가?
• RQ2 제약 조건을 가진 순차적 우세성(CSD)은 중성미자 혼합 각도와 CP 위상에 대해 정밀한 예측을 어떻게 도출하는가?
• RQ3 이산 가족 대칭을 가진 GUT에서 자발적 CP 위반이 동시에 레프토제네시스와 저에너지 중성미자 진동에서의 CP 위반을 설명할 수 있는가?
• RQ4 파괴된 가족 대칭을 가진 간접 모델(예: $A_4$)은 직접 또는 반직접 접근보다 더 예측 가능하고 현실적인 중성미자 질량 패턴을 어떻게 도출하는가?
• RQ5 $A_4 \times SU(5)$ 초대칭 GUT 모델에서 CSD(3)를 적용할 경우, 중성미자 질량 계단, 혼합 각도, Dirac CP 위상에 대해 어떤 검증 가능한 예측을 내놓는가?

주요 결과

• CSD(3) 및 CSD(4) 모델은 오직 세 개의 입력 매개변수로만 PMNS 행렬을 성공적으로 예측하며, 정상적인 중성미자 질량 계단과 혼합 각도의 정확한 재현을 이룬다.
• CSD(3)를 가진 $A_4 \times SU(5)$ 초대칭 GUT 모델은 정상적인 중성미자 질량 스펙트럼, 최대 대기 혼합 각도 $\theta_{23} \approx \pi/4$, Dirac CP 위상 $\delta_{CP} \sim -\pi/2$를 예측하며, 현재의 실험적 힌트와 일치한다.
• 이 모델은 가장 가벼운 오른쪽 회전 중성미자를 통한 $N_1$ 레프토제네시스를 실현하며, 초기 우주에서의 바리온 생성과 저에너지에서의 CP 위반을 동시에 담당하는 동일한 위상 $\eta = 2\pi/3$ 를 가진다.
• Pati-Salam 게이지 군을 기반으로 한 A to Z of flavour 모델은 $\delta_{CP} \sim 20^\circ$, $\theta_{23}$ 가 두 번째 옥타트에 위치하며, NO 스펙트럼을 예측한다. CSD(4) 예측에서의 편차에도 불구하고 $N_2$ 레프토제네시스가 가능하다.
• 이 모델들은 세이프 메커니즘에서 반응기 각도 $\theta_{13} \lesssim m_2/m_3$ 를 예측하며, 반응기 실험에서 측정된 값과 일치한다.
• 플라보논의 진공 정렬을 통한 자발적 CP 위반은 레프토제네시스와 중성미자 진동에서의 CP 위반에 자연스러운 기원을 제공하며, 초기 우주의 물리와 저에너지 관측치를 연결한다.