[論文レビュー] $U(1)_χ$ and Seesaw Dirac Neutrinos

Ernest Ma|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、$U(1)_\chi$ を導入した $SO(10)$ の統一理論を提案し、重い右巻きニュートリノの質量によって自然に抑制される軽いディラックニュートリノ質量を実現する $Z_2$ 対称性を持つモデルにより、見かけのニュートリノ質量のスケールを自然に小さくする。同時に、軽い双レプトンスカラー媒介粒子を通じて自己相互作用型の暗黒物質を実現し、重いメジャナナ粒子の $B$-違反崩壊によるバリオゲネシスを実現するとともに、フェルミオン色八重項を伴う Peccei-Quinn 対称性により強い $CP$ 問題の解決を図る。すべての過程で、基本的なレベルで $B$ と $L$ を保存する。

ABSTRACT

In the context of $SO(10) o SU(5) imes U(1)_χ$, it is shown how seesaw Dirac neutrinos may be obtained. In this framework, $U(1)$ lepton number is conserved, with which self-interaction dark matter with a light scalar dilepton mediator may be implemented. In addition, $U(1)$ baryon number may be broken to $(-1)^{3B}$, thereby generating a baryon asymmetry of the Universe. The axionic solution to the strong $CP$ problem may also be incorporated.

研究の動機と目的

• $SO(10)\to SU(5)\times U(1)_\chi$ の統一モデルを構築し、見かけの軽いディラックニュートリノ質量を見せかけのスケールによるスケールで自然に生成する。
• レプトン数を保存し、宇宙背景放射の遅い時期の歪みを避ける軽いスカラー双レプトン媒介子を用いた自己相互作用型の暗黒物質を実装する。
• 重いメジャナナ粒子の $B$-違反崩壊を通じたバリオゲネシスを実現し、レプトゲネシスに類似したが、メジャナナニュートリノの代わりにスカラー二クォークを用いる。
• フェルミオン色八重項とシングレットスカラーを伴う Peccei-Quinn 対称性を用いて、強い $CP$ 問題の軸子解を実現する。

提案手法

• 新しいフェルミオン $N, N^c$ を $126^*, 126$ 表現に導入し、$144$ 表現からのヒッグスダブルットを用いて $4\times4$ ニュートリノ質量行列を構成する。
• $B$ と $L$ の保存を保証し、トリリンアイ項 $\mu\sigma\Phi^\dagger\eta$ を介したソフト破れを許容することで、見せかけのスケールを実現する $Z_2$ 離散対称性を課す。
• $\Phi$, $\eta$, $\sigma$ を含むスカラーポテンシャルを用い、真空を安定化させ、必要な真空期待値 $v_1, v_2, v_3, u$ を生成する。
• スカラーダイクォーク $h_1, h_2$ とフェルミオン $\psi$ を導入し、$B$-違反崩壊を媒介する。$CP$ 非対称性は、レプトゲネシスに類似した一次ループ図を通じて生成される。
• フェルミオン色八重項 $\Omega$ とシングレットスカラー $S$ を仮定し、Peccei-Quinn 対称性を実現する。$S$ の動的位相が見えない軸子となる。
• すべての対称性がラグランジアンレベルで保存され、ソフト破れはトリリンアイ項でのみ発生するようにし、自然性とゲージ結合定数の統一性を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $U(1)_\chi$ が $SU(5)$ スケール未満でも残存する $SO(10)\to SU(5)\times U(1)_\chi$ モデルにおいて、見せかけのディラックニュートリノ質量が自然に生成可能か？
• RQ2 レプトンにのみカップリングし、宇宙論的制約を避ける軽いスカラー媒介子を用いた自己相互作用型の暗黒物質はどのように実現可能か？
• RQ3 基本的なレベルで $B$ と $L$ を保存する条件下で、重いメジャナナ粒子の $B$-違反崩壊を通じたバリオゲネシスは可能か？
• RQ4 フェルミオン色八重項とシングレットスカラーを伴う非超対称的文脈で、強い $CP$ 問題が軸子メカニズムによって解決可能か？
• RQ5 $Z_\chi$ ゲージボソンと軽いスカラー媒介子のハドロン衝突実験および暗黒物質探索における物性的特徴は何か？

主な発見

• 見せかけのディラックニュートリノ質量は $m_\nu = f_\eta f_\sigma v_3 u / m_N$ として生成され、$m_N$ の大きなスケールのおかげで自然に小さくなる。
• 軽いスカラー媒介子（双レプトン）はニュートリノにのみカップリングし、宇宙論的スケールで安定であり、遅い時期の CMB 歪みを避ける。
• $CP$ 非対称性は $\epsilon = -\frac{3}{16\pi} \frac{m_{\psi_1}}{m_{\psi_2}} \frac{\text{Im}[(f_1 f_2^*)^2]}{|f_1|^2}$ で与えられ、$|f_1| \ll 0.02$ かつ $m_{\psi_2}/m_{\psi_1} = 6$ の条件下で実現可能な非対称性が得られる。
• $バリオゲネシスのバリオン非対称性は $\epsilon / g_*$ のオーダーであり、$10^{-10}$ に設定するには、相対位相が 1 のオーダーで $|f_2| \sim 10^{-3}$ が必要となる。
• 軸子はスカラー $S$ の動的位相として出現し、$S^* \Omega \Omega$ カップリングにより質量を得る。これは見えない軸子として暗黒物質に寄与する。
• モデルでは $h_1 d^c \psi$ および $h_1^* \bar{d}^c \psi$ の過程を通じて $B$-違反崩壊が実現され、$\langle\sigma\rangle$ を介した $h_1$-$h_2$ 混成により、レプトゲネシスに類似した方法で $CP$ 非対称性が生成される。