[論文レビュー] Neutrinoless double beta decay and pseudo-Dirac neutrino mass predictions through inverse seesaw mechanism

Ram Lal Awasthi, M. K. Parida+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2013

Neutrino Physics Research被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、逆のシー・サーフェス機構において、120–500 MeVの質量を有する最軽い擬ディラックニュートリノが、仮想交換を通じて無ニュートリノ二重ベータ崩壊（0νββ）を支配的にする可能性を提案している。特に、その質量がニュートリノの仮想運動量（約190 MeV）に近づくと、寄与が増幅される。また、クォーク-レプトン対称性を持つディラックニュートリノ質量行列の下では、現在の実験で測定可能なレプトン数非保存崩壊が予測される。

ABSTRACT

In the inverse seesaw extension of the standard model, supersymmetric or non-supersymmetric, while the light left-handed neutrinos are Majorana, the heavy right-handed neutrinos are pseudo-Dirac fermions. We show how one of these latter category of particles can contribute quite significantly to neutrinoless double beta decay. The neutrino virtuality momentum is found to play a crucial role in the non-standard contributions leading to the prediction of the pseudo-Dirac fermion mass in the range of $120\, {MeV}-500\, {MeV}$. When the Dirac neutrino mass matrix in the inverse seesaw formula is similar to the up-quark mass matrix, characteristic of high scale quark-lepton symmetric origin, the predicted branching ratios for lepton flavor violating decays are also found to be closer to the accessible range of ongoing experiments.

研究の動機と目的

• 逆のシー・サーフェス枠組みにおける擬ディラック右巻きニュートリノから、ニュートリノなし二重ベータ崩壊（0νββ）に非標準的寄与が生じるかを調査すること。
• 標準的な軽いメジャノナニュートリノ交換を超えて、0νββ崩壊率を顕著に増幅させる最軽い擬ディラックニュートリノの質量範囲を特定すること。
• ディラックニュートリノ質量行列の構造と観測可能なレプトン数非保存崩壊（LFV）の関係を調査すること。
• モデルがゲージ結合定数の統一およびパティ・サランやSO(10)の大型統一理論のような高エネルギースケールの対称性と整合するかを評価すること。
• 0νββ崩壊、擬ディラックニュートリノ質量測定、およびLFV崩壊分岐比を通じて、実験的検証可能な予測を同定すること。

提案手法

• 逆のシー・サーフェス機構を、1世代あたり3体の右巻きニュートリノと3体のスティーリーフェルミオンを含むように拡張し、ディラック質量項（MD）、重いディラック質量項（M）、およびスティーリー質量項（μS）のブロックを含む9×9ニュートリノ質量行列を構築する。
• μS, MD ≪ M の仮定の下でブロック対角化を実行し、逆のシー・サーフェスの公式である mν ≈ (MD/M) μS (MD/M)† を導出する。
• 重いセクターはμSによって分裂する擬ディラック対を形成し、その中で最も軽い状態が仮想交換を通じて0νββ崩壊への寄与を解析する。
• 最軽い擬ディラックニュートリノ質量 Mζ1 の関数として、有効な0νββ行列要素 |Mee| を計算し、|p| ≈ 190 MeV の近傍で共鳴的増幅が観測されることを示す。
• 同じ質量行列を用いて、レプトン数非保存崩壊分岐比（μ→e+γ、τ→e+γ、τ→μ+γ）を計算し、現在および将来の実験限界と比較する。
• モデルは、クォーク-レプトン対称性を持つディラック質量行列（パティ・サランやSO(10)統一に由来）を仮定することでテストされ、0νββとLFVの両方の予測に影響を与える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 逆のシー・サーフェスモデルにおける最軽い擬ディラックニュートリノが、無ニュートリノ二重ベータ崩壊に支配的寄与をもたらすことができるか？
• RQ2 非標準的寄与を0νββ崩壊に最大限に高める最軽い擬ディラックニュートリノの最適な質量範囲は何か？
• RQ3 ニュートリノの仮想運動量（約190 MeV）が0νββ崩壊率の増幅にどのように寄与するか？
• RQ4 予測されたレプトン数非保存崩壊分岐比（μ→e+γ、τ→e+γ、τ→μ+γ）は、現在および将来の実験の感度範囲内に位置するか？
• RQ5 クォーク-レプトン対称性に基づくディラックニュートリノ質量行列の起源が、0νββとLFV予測の間の相互作用にどのように影響するか？

主な発見

• 最軽い擬ディラックニュートリノ質量は120–500 MeVの範囲に予測され、特にニュートリノの仮想運動量（約190 MeV）に近づくと、0νββ崩壊への増幅が顕著に現れる。
• 正常階層（NH）ニュートリノ質量の下で、最軽い擬ディラック質量が169 MeV で η = |η|max/5 のとき、有効な0νββ行列要素 |Mee| は30倍に増幅される。
• μ→e+γの予測分岐比は3.6×10⁻¹³であり、現在の実験限界（1.2×10⁻¹¹）をはるかに下回るが、将来の実験の感度（10⁻¹⁹）に達する範囲にある。
• τ→μ+γの予測分岐比は3.3×10⁻¹²であり、現在の限界（4.4×10⁻⁸）を下回るが、感度10⁻⁹まで達する将来の実験で測定可能である。
• 最軽い擬ディラックニュートリノ質量が190 MeVに設定された場合、|Mee|に明確な共鳴的増幅が観測され、図5に示すように有効質量予測のピークが現れる。
• このフレームワークは、MSSM-GUTスケール（MU ≈ 2×10¹⁶ GeV）におけるゲージ結合定数の統一と整合しており、標準模型の超対称的拡張としての妥当性を支持する。