[论文解读] A Further Study of the Frampton-Glashow-Yanagida Model for Neutrino Masses, Flavor Mixing and Baryon Number Asymmetry

Jue Zhang, Shun Zhou|arXiv (Cornell University)|May 19, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 23被引用 11

一句话总结

本文重新审视了Frampton-Glashow-Yanagida（FGY）模型，这是一个包含两个重右手中微子以及狄拉克中微子质量矩阵中两个纹理零的最小 seesaw 框架。通过引入混合参数的重整化群演化和味依赖的轻子生成机制，研究发现即使在大 $\tan\beta$ 的MSSM中，正常中微子质量顺序也受到排斥，且仅有四种特定的味模式是可行的；为了满足自然性要求，必须存在近乎简并的重中微子的共振轻子生成机制，从而使该模型在未来的中微子实验中既具有预测性又可被检验。

ABSTRACT

In light of the latest neutrino oscillation data, we revisit the minimal scenario of type-I seesaw model, in which only two heavy right-handed Majorana neutrinos are introduced to account for both tiny neutrino masses and the baryon number asymmetry in our Universe. In this framework, we carry out a systematic study of the Frampton-Glashow-Yanagida ansatz by taking into account the renormalization-group running of neutrino mixing parameters and the flavor effects in leptogenesis. We demonstrate that the normal neutrino mass ordering is disfavored even in the minimal supersymmetric standard model with a large value of $ an β$, for which the running effects could be significant. Furthermore, it is pointed out that the original scenario with a hierarchical mass spectrum of heavy Majorana neutrinos contradicts with the upper bound derived from a naturalness criterion, and the resonant mechanism with nearly-degenerate heavy Majorana neutrinos can be a possible way out.

研究动机与目标

• 为了结合最新的中微子振荡数据重新表述FGY模型，重点关注其预测能力与当前约束的一致性。
• 研究在大 $\tan\beta$ 的MSSM中，重整化群（RG）演化对中微子混合参数的影响，此时RG效应显著。
• 分析轻子生成中的味效应，特别是 $N_1$ 衰变中CP不对称性的作用及其与低能CP破坏之间的相互作用。
• 在自然性准则下评估FGY模型的可行性，尤其关注重马格纳中微子的质量谱。
• 确定在反质量顺序情况下，四种可行的味模式中哪些可通过未来实验（包括无中微子双贝塔衰变和长基线振荡研究）加以区分。

提出的方法

• 本研究采用仅包含两个右手中微子的最小类型-I seesaw 模型，在狄拉克中微子质量矩阵 $M_D$ 中施加两个纹理零，与原始 FGY 假设一致。
• 应用重整化群（RG）演化方程，追踪从GUT尺度到电弱尺度的中微子混合角和CP相位的演化，特别是在大 $\tan\beta$ 的MSSM背景下。
• 利用味依赖的玻尔兹曼方程分析轻子生成机制，计算 $N_1$ 衰变的CP不对称性 $\varepsilon_{1\tau}$ 和 $\varepsilon_{1e}$，重点关注味效应以及 $\Delta M_1/M_1 \sim 10^{-7}$ 质量简并的作用。
• 将模型与当前中微子振荡数据进行对比，将可行的味模式限制为四种：反质量顺序情景下的 $\mathbf{B}_1$、$\mathbf{B}_2$、$\mathbf{B}_4$ 和 $\mathbf{B}_5$。
• 应用自然性准则以约束重中微子质量谱，得出结论：只有接近简并质量（$\Delta M_1/M_1 \sim 10^{-7}$）的共振轻子生成机制是可行的。
• 利用低能CP破坏（Jarlskog不变量 $\mathcal{J}$）与高能CP不对称性 $\varepsilon_1$ 之间的相互作用，区分四种可行模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大 $\tan\beta$ 的MSSM中，包含重整化群演化效应是否会使FGY模型中的正常中微子质量顺序受到排斥？
• RQ2 原始FGY模型若采用分层的重马格纳中微子谱，能否满足自然性准则，还是必须采用近乎简并的质量谱？
• RQ3 在四种可行的味模式（$\mathbf{B}_1$、$\mathbf{B}_2$、$\mathbf{B}_4$、$\mathbf{B}_5$）中，哪些可通过未来中微子实验加以区分，以及如何区分？
• RQ4 轻子生成中的味效应如何影响重子数不对称性？为使共振轻子生成与自然性一致，需要何种质量简并度？
• RQ5 低能CP破坏（通过 $\sin\delta$）与高能CP不对称性（$\varepsilon_1$）之间的相对符号能否作为区分不同可行模式的判别依据？

主要发现

• 即使在大 $\tan\beta$ 的MSSM中，由于混合参数的显著重整化群演化效应，FGY模型中的正常中微子质量顺序也受到排斥。
• 在引入RG演化后，仅四种味模式——$\mathbf{B}_1$、$\mathbf{B}_2$、$\mathbf{B}_4$ 和 $\mathbf{B}_5$——在当前中微子振荡数据下是可行的。
• 在反质量顺序情况下，有效中微子质量 $m_{\beta\beta} = 50~{\rm meV}$ 处于下一代无中微子双贝塔衰变实验的探测范围内。
• 为满足自然性准则，必须存在质量简并度为 $\Delta M_1/M_1 \sim 10^{-7}$ 的共振轻子生成机制，从而排除了分层的重中微子谱。
• Jarlskog不变量 $\mathcal{J}$ 与CP不对称性 $\varepsilon_1$ 之间的相对符号可区分 $\mathbf{B}_1$（$\mathbf{B}_2$）与 $\mathbf{B}_4$（$\mathbf{B}_5$）模式。
• 未来的长基线中微子振荡实验将测量 $\theta_{23}$ 的八度和CP破坏相位 $\delta$，从而进一步区分可行模式。