[논문 리뷰] Neutrino mixing and Leptogenesis with modular $S_3$ symmetry in the framework of type III seesaw

Subhasmita Mishra|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 중성미자 질량과 혼합을 생성하면서도 다수의 스칼라 필드에 의존하는 것을 줄이기 위해 유형 III seesaw 메커니즘 내에서 모듈러 $S_3$ 대칭 프레임워크를 제안한다. 양자수 상수에 모듈러 무게를 할당함으로써, 현상학적으로 타당한 중성미자 혼합 각도와 성공적인 공진형 렙토제네시스 시나리오를 달성하며, 관측된 기초 대비 비대칭도와 일치하는 $")\mathcal{O}(10^{-10})$ 수준의 렙토니아 비대칭을 도출한다.

ABSTRACT

Discrete symmetries being preferred to explain the neutrino phenomenology, we chose the simplest $S_3$ group and explore the implication of its modular form on neutrino masses and mixing. Non-trivial transformations of Yukawa couplings under this symmetry, make the model phenomenologically interesting by reducing the requirement of multiple scalar fields. This symmetry imposes a specific flavor structure to the neutrino mass matrix within the framework of less frequented type III seesaw mechanism and helps to explore the neutrino mixing consistent with the current observation. Apart, we also explain the preferred scenario of leptogenesis to explain the baryon asymmetry of the universe by generating the lepton asymmetry from the decay of heavy fermion triplet at TeV scale.

연구 동기 및 목표

• 표준모형이 중성미자 질량, 렙토니아 혼합, 기초 비대칭을 설명하는 데 한계를 보이는 데 대비하기 위해.
• 다수의 힉스 두중항이 아닌 양자수 형태의 양자수 상수를 사용하여 $S_3$ 대칭 모델의 스칼라 필드 구성 복잡성을 줄이기 위해.
• 적은 연구를 받은 유형 III seesaw 메커니즘을 모듈러 $S_3$ 대칭과 결합하여 타당한 중성미자 혼합 패턴을 도출하기 위해.
• TeV 스케일의 무거운 페르미온 삼중항 붕괴를 통한 공진형 렙토제네시스를 조사하여 관측된 기초 비대칭을 생성하기 위해.

제안 방법

• 세 개의 페르미온 삼중항 ($\Sigma_{1,2,3}$), 하나의 스칼라 단일항 ($\rho$), 그리고 왼쪽과 오른쪽 렙토니아 세 세대를 포함하는 유형 III seesaw 모델을 도입하며, $S_3$ 대칭에 따라 모든 입자에 모듈러 무게를 할당한다.
• 양자수 상수 $y_1(\tau), y_2(\tau)$를 $S_3$ 이중항으로, $y_3(\tau)$를 단일항으로 할당하며, 각각 모듈러 무게 2와 4를 부여하여 다수의 스칼라 필드를 대체한다.
• 복소 모듈러스 $\tau$에 의존하는 양자수 상수의 모듈러 형태를 사용하여 맛 대칭성의 중성미자 질량 행렬을 구성한다.
• 붕괴, 역붕괴, 게이지 스캐터링 과정을 포함한 삼중항 페르미온과 렙토니아 수 밀도의 진화에 대한 볼츠만 방정식을 해결한다.
• 삼중항 $\Sigma$ 붕괴에서 유도된 CP 비대칭도 $\epsilon^{\Sigma}_{CP}$를 평가하고, 그 결과로 유도되는 렙토니아 비대칭도 $Y_L \approx \mathcal{O}(10^{-10})$를 계산한다.
• 관측된 기초 비대칭도 $Y_B \approx \mathcal{O}(10^{-11})$를 기준으로 하여 수치적 대각화를 통해 중성미자 질량 행렬의 모델 매개변수를 제약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모듈러 $S_3$ 대칭은 $S_3$ 기반 중성미자 질량 모델에서 요구되는 스칼라 필드의 수를 줄일 수 있는가?
• RQ2 모듈러 $S_3$ 대칭을 가진 유형 III seesaw 메커니즘은 $3\sigma$ 실험 데이터와 일치하는 중성미자 혼합 패턴을 생성하는가?
• RQ3 삼중항 $\Sigma$ 붕괴를 통한 공진형 렙토제네시스는 $")\mathcal{O}(10^{-10})$ 수준의 렙토니아 비대칭을 생성할 수 있는가?
• RQ4 게이지 상호작용과 워시아웃 과정은 유형 III seesaw 프레임워크에서 렙토니아 수 밀도의 진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 중성미자 질량과 혼합 각도를 재현할 수 있는 양자수 상수와 $\tau$의 타당한 매개변수 범위는 무엇인가?

주요 결과

• 수치적 대각화를 통해 중성미자 질량 행렬을 해석함으로써, 반응기 혼합 각도 $\theta_{13}$과 디라크 CP 위상 $\delta_{CP}$가 실험적으로 허용된 $3\sigma$ 범위 내에 제약된다.
• 가장 가벼운 페르미온 삼중항의 붕괴로부터 $")\mathcal{O}(10^{-10})$ 수준의 렙토니아 비대칭이 도출되며, 이는 관측된 기초 비대칭도 $")\mathcal{O}(10^{-11})$를 생성하는 데에 충분하다.
• 삼중항 페르미온의 결합 강도가 $")\mathcal{O}(10^{-7})$ 수준이 되면 $K_{\Sigma_i} \sim 1$이 되어 렙토제네시스를 위한 비평형 붕괴 조건을 만족한다.
• 게이지 스캐터링과 역붕괴 과정이 수치적 볼츠만 방정식 해석을 통해 수 밀도의 진화에 상당한 영향을 미친다.
• $S_3$ 대칭 하에서의 양자수 상수의 모듈러 형태는 다수의 스칼라 필드와 그들의 VEV 정렬이 필요 없게 하여 모델의 구조를 단순화시킨다.
• 모델은 현재 실험적 한계 내에서 관측된 활성 중성미자 질량의 합과 중성미자 혼합 매개변수를 성공적으로 재현한다.