[論文レビュー] On the Minimal Mixing of Heavy Neutrinos

Marco Drewes|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 111被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、タイプ-Iの見せかけのスケールモデルにおける重いニュートリノの混合に関する制約を再評価し、重いニュートリノの質量がほぼ degenerate でない限り、任意の標準模型生成との個々の不活性ニュートリノ混合には下限がないことを示している。主な結果は、各重いニュートリノについて全生成子にわたる混合（合計）には、軽い活性ニュートリノ質量と重いニュートリノの数に依存する下限が存在することである。これは、コライダーおよび固定標的に基づく探索に影響を及える。

ABSTRACT

We revisit the constraints on the properties of right handed neutrinos from the requirement to explain the observed light neutrino oscillation data in the type-I seesaw model. We use well-known relations to show that there is in general no lower bound on the mixing of a given heavy neutrino with any individual Standard Model generation. Lower bounds quoted in the literature only apply if the masses of the heavy neutrinos are so degenerate that they cannot be distinguished experimentally. A lower bound on the total mixing (summed over Standard Model generations) can be derived for each heavy neutrino individually, but it strongly depends on the mass of the lightest Standard Model neutrino and on the number of heavy neutrinos that contribute to the seesaw mechanism. Our results have implications for the perspectives of future colliders or fixed target experiments to rule out certain mass ranges for heavy neutrinos.

研究の動機と目的

• 既知の見せかけのスケール関係を用いて、タイプ-Iの見せかけのスケールモデルにおける重いニュートリノ混合に関する制約を再表現すること。
• 特に質量の degenerate な状態の有無にかかわる条件に関して、不活性ニュートリノ混合に下限が存在する条件を明確にすること。
• 軽い活性ニュートリノ質量および重いニュートリノの数に依存する、各重いニュートリノについての全混合（標準模型生成子にわたる合計）の下限を導出すること。
• 今後のコライダーおよび固定標的実験が、特定の重いニュートリノ質量範囲をプローブまたは除外する上で及える影響を評価すること。

提案手法

• 軽いニュートリノ質量とヤコビ行列 $ F $、メジャノラ質量 $ M_M $ の関係を表す見せかけのスケール式 $ m_{ u} = -v^2 F M_M^{-1} F^T $ を使用する。
• 木レベル近似 $ heta = v F M_M^{-1} $ を適用し、$ heta $ は左巻きと右巻きニュートリノ間の混合を定量化する。
• 混合パラメータ $ U_{ai}^2 = | heta_{ai}|^2 $ および $ U_i^2 = \text{sum over } a \text{ of } U_{ai}^2 $ を定義し、重いニュートリノ $ N_i $ の全相互作用強度を表す。
• 重いニュートリノ質量の差が軽いニュートリノ質量に比べて大きい場合には、$ U_N \to 1 $ の極限が有効であると仮定する。
• ビッグバン核合成（BBN）の制約を組み込み、任意の不活性家族数について $ U_i^2 $ の下限を導出する。
• 放射修正および $ U_N $ 混合効果を標準的仮定のもとで無視し、$ U_{ai}^2 $ に与える影響が無視可能であると正当化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 特定の標準模型生成子 $ a $ に対して、与えられた重いニュートリノ $ N_i $ の混合 $ U_{ai}^2 $ に下限が存在するか？
• RQ2 重いニュートリノがすべての標準模型生成子と混合する合計混合 $ U_i^2 $ に下限が存在する条件は何か？
• RQ3 軽い活性ニュートリノ質量が $ U_i^2 $ の下限にどのように依存するか？
• RQ4 重いニュートリノ家族数が $ U_i^2 $ の下限を決定する上で果たす役割は何か？
• RQ5 BBNの制約が、不活性ニュートリノの $ U_i^2 $ の下限にどのように影響するか？

主な発見

• 重いニュートリノ質量がほぼ degenerate でない限り、任意の標準模型生成子との個々の重いニュートリノ $ N_i $ の混合 $ U_{ai}^2 $ には下限がない。
• 重いニュートリノがすべての標準模型生成子と混合する合計混合 $ U_i^2 $ には下限が存在し、その下限は軽い活性ニュートリノ質量および重いニュートリノの数に依存する。
• 軽いニュートリノ質量が小さくなるほど、および重いニュートリノ家族数が増加するほど、$ U_i^2 $ の下限は大きくなる。
• BBNの制約を組み込むと、任意の不活性家族数について $ U_i^2 $ の下限が導出され、モデルに依存しない制約が得られる。
• 重いニュートリノ質量行列を対角化する行列 $ U_N $ でさえ、質量差が小さい場合を除き、$ U_{ai}^2 $ に影響を及えない。
• 放射修正および $ U_N $ 混合行列は、$ U_{ai}^2 $ に関する結論に顕著な定性的な影響を及えないため、主たる解析では無視してもよい。