[論文レビュー] Selected Topics in Majorana Neutrino Physics

Luciano Maiani|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 46被引用数 6

ひとこと要約

この論文はマヨラナニュートリノ物理学をレビューし、ニュートリノ質量生成のセーワー機構と、ゼロニュートリノ二重ベータ崩壊への影響に焦点を当てる。本稿では、フレーバーO(3)の下での重いレプトン不変性から生じる大きなニュートリノ混合角を特徴とする新規アプローチを提示し、ほぼ縮退したニュートリノ質量を導く。これはクォーク-レプトン類似性に挑戦し、ゼロニュートリノ二重ベータ崩壊が実験的に到達可能である可能性を示唆する。

ABSTRACT

Starting from the original Majorana's article of 1937, the see-saw mechanism is illustrated, first for one and later for three neutrino generations, and neutrinoless double beta decay is considered. Neutrino mixing and oscillations in three flavors are described. The Yukawa couplings to the Higgs field of quarks and leptons are considered, their transformation properties under the corresponding flavor groups are spelled out and the principle of Minimal Flavor Violation is illustrated, in connection with possible new physics beyond the Standard Theory. The idea that the Yukawa couplings may be the vacuum expectation value of some new fields is introduced and natural extrema of potentials which are invariant under quark and lepton flavor groups are characterized. A recent result indicating large mixing of almost degenerate neutrinos is derived from the heavy lepton invariance under flavor ${\cal O}(3)$.

研究の動機と目的

• 1世代から3世代に拡張して、マヨラナフェルミオンの文脈において小さなニュートリノ質量がセーワー機構によってどのように生成されるかを説明すること。
• クォークとは異なり、ニュートリノが大きな混合角を示す理由と、その背後にある対称性原理を、フレーバー物理学の文脈で分析すること。
• フレーバー群O(3)の不変性に基づく新しい大混合メカニズムを提案し、ほぼ縮退したニュートリノ質量を導くこと。
• ヤコビ係数が新しいスカラー場の真空期待値であるとみなすことで、フレーバー対称性を持つポテンシャルにおける自然な極小値が得られることを示すこと。

提案手法

• マヨラナ自身が1937年に提唱したオリジナルの形式を用いてセーワー機構を導出し、重い右手系ニュートリノが軽いニュートリノ質量を生成する仕組みを示す。
• ニュートリノの3世代にわたるセーワー機構の適用を行い、PMNS混合行列と最近の実験的測定値に基づく混合角を組み込む。
• ヤコビ係数が動的な場であり、その真空期待値がフェルミオン質量を決定する可能性があるという概念を導入する。
• レプトンにおけるO(3)フレーバー群の不変性を用いて、スカラー場のポテンシャルに自然な極小値を導出し、ほぼ縮退したニュートリノ質量に至る。
• 大混合角は、小さな混合パラメータに依存するのではなく、直交性を持つフレーバー対称性構造に由来することを示す。
• 場の再定義を用いて質量行列を対角化し、ユニタリ変換によってフレーバー破れ項を除去できることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マヨラナフェルミオンの文脈において、セーワー機構はどのように小さなニュートリノ質量を生成するのか？
• RQ2 ニュートリノがクォークとは異なり大きな混合角を示すのはなぜか？その背後にある対称性原理は何か？
• RQ3 大混合はユニタリ群ではなく、直交群O(3)の不変性に起因する可能性はあるか？
• RQ4 ヤコビ係数を新しいスカラー場の真空期待値とみなすと、フレーバー物理学にどのような影響を与えるか？
• RQ5 フレーバー対称性を持つポテンシャルにおける自然な極小値は、なぜほぼ縮退したニュートリノ質量を生じるのか？

主な発見

• セーワー機構は、重い右手系マヨラナニュートリノを導入することにより、軽いニュートリノの小さな質量をうまく説明できる。
• ニュートリノがほぼ縮退している場合、ゼロニュートリノ二重ベータ崩壊は現在および近い将来の実験で到達可能であると予測される。
• 大混合角は、ユニタリ群ではなく、直交フレーバー群O(3)の不変性によって自然に説明できる。
• レプトンのヤコビ係数は、新しいスカラー場の真空期待値として解釈でき、フェルミオン質量の自然な階層を導く。
• O(3)不変スカラー場のポテンシャルにおける自然な極小値は、最近のニュートリノ振動データのグローバルフィットと整合するほぼ縮退したニュートリノ質量を支持する。
• このモデルは、クォーク-レプトン普遍性から著しく逸脱し、ニュートリノでは大きな混合とほぼ縮退した質量を示すが、クォーク系では階層的で弱く混合された構造であるのと対照的である。