[论文解读] Neutrino Masses in Effective Rank-5 Subgroups of E_6 I: Non-SUSY Case

Mariana Frank, İsmail Turan+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文研究了非超对称 E_6 族模型中的中微子质量，重点关注替代左右对称模型与惰性模型。研究发现，这些模型预测存在一个最轻的类惰性中微子，以及两个质量接近上夸克质量量级的较重中微子，因此需要额外的对称性或相互作用（如离散对称性、高维算符或额外的中性费米子）来恢复标准模型的物理学现象，其结果对惰性中微子和 LSND 类信号具有重要意义。

ABSTRACT

The neutral fermion sectors of E_6-inspired low energy models, in particular the Alternative Left-Right and Inert models, are considered in detail within the non-supersymmetric scenario. We show that in their simplest form, these models always predict, for each generation, the lightest neutrino to be an SU(2)_L singlet, as well as two extra neutrinos with masses of the order of the up-quark mass. In order to recover Standard Model phenomenology, additional assumptions in the form of discrete symmetries and/or new interactions are needed. These are classified as the Discrete Symmetry (DS), Higher Dimensional Operators (HDO), and Additional Neutral Fermion (ANF) methods. The DS method can solve the problem, but requires additional Higgs doublets that do not get vacuum expectation values. The HDO method predicts no sterile neutrino, and that the active neutrinos mix with a heavy isodoublet neutrino, thus slightly suppressing the couplings of active neutrinos, with interesting phenomenological implications. The ANF method also predicts this suppression, and also naturally includes one or more "sterile" neutrinos. This scenario allows the existence of sterile neutrino(s) in either a 3+1 or 2+2 structure at low energies, which are favored by the LSND result.

研究动机与目标

• 分析非超对称框架下 E_6 族低能模型中的中性费米子 sector。
• 识别替代左右对称与惰性模型最简形式中中微子质量谱的固有预测。
• 对三种机制——离散对称性（DS）、高维算符（HDO）与额外中性费米子（ANF）——进行分类与评估，以调和模型预测与标准模型中微子现象学之间的不一致。
• 评估 3+1 或 2+2 模式下惰性中微子的可行性，尤其结合 LSND 实验结果。

提出的方法

• 分析 E_6 族模型中的中性费米子 sector，重点关注替代左右对称与惰性模型的实现。
• 应用群论分析，识别 E_6 的有效秩-5 子群中中性费米子的 SU(2)_L 表示内容。
• 引入三种不同机制——离散对称性（DS）、高维算符（HDO）与额外中性费米子（ANF）——以解决模型与标准模型中微子现象学之间的不一致。
• 评估每种方法在抑制活性中微子耦合并生成惰性中微子态方面的能力。
• 利用对称性约束与有效场论技术，推导每种机制下中微子质量矩阵的结构。
• 比较其现象学含义，尤其关注惰性中微子的存在性与混合模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 E_6 族非超对称模型的最简形式（如替代左右对称与惰性模型）中，中微子质量谱的预测是什么？
• RQ2 离散对称性、高维算符或额外中性费米子如何调和模型预测与标准模型中微子现象学之间的不匹配？
• RQ3 DS、HDO 或 ANF 机制是否能在保持规范不变性与一致性的同时，抑制活性中微子耦合？
• RQ4 这些模型中惰性中微子的作用是什么？它们是否自然地以 3+1 或 2+2 模式出现？
• RQ5 这些机制如何与 LSND 异常相符，特别是在惰性中微子解的背景下？

主要发现

• 在模型最简形式中，每一代中最轻的中微子被预测为 SU(2)_L 呈 singlet，表明其具有类惰性特征。
• 预测存在两个质量接近上夸克质量的额外中微子，表明其结构在标准模型之外具有层级性。
• 离散对称性（DS）方法可恢复与标准模型的兼容性，但要求存在额外的 Higgs 双重态，且这些 Higgs 双重态保持未破缺且不获得真空期望值。
• 高维算符（HDO）方法预测不存在惰性中微子，而是导致活性中微子与一个重的同位旋双重态中微子之间发生混合，从而导致活性中微子耦合被抑制。
• 额外中性费米子（ANF）方法自然地引入了一个或多个惰性中微子，同时也导致活性中微子耦合被抑制。
• HDO 与 ANF 两种机制均允许与低能惰性中微子结构一致的 3+1 或 2+2 模式，为 LSND 异常提供现象学上的拟合。