[论文解读] Dirac neutrinos, dark matter stability and flavour predictions from Lepton Quarticity

Salvador Centelles Chuliá|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

该论文提出了一套统一框架，通过 $Z_4$ 李普曼数对称性（四次性）将狄拉克型中微子质量与稳定的WIMP暗物质联系起来。相同的 $Z_4$ 对称性禁止马约拉纳质量项，从而确保中微子为狄拉克型，同时使一个复标量 $\zeta$ 稳定，成为可行的暗物质候选者。该模型通过一级 seesaw 机制实现小中微子质量，并在与离散 flavor 群如 $\Delta_{27}$ 和 $A_4$ 结合时，产生丰富的 flavor 预测，包括特定的混合角和 CP 破坏模式。

ABSTRACT

We propose to relate dark matter stability to the possible Dirac nature of neutrinos. The idea is illustrated in a simple scheme where small Dirac neutrino masses arise from a type-I seesaw mechanism as a result of a $Z_4$ discrete lepton number symmetry. The latter implies the existence of a viable WIMP dark matter candidate, whose stability arises from the same symmetry which ensures the Diracness of neutrinos. The symmetry groups $Δ_{27}$ and $A_4$ are then used to extract a rich variety of flavour predictions.

研究动机与目标

• 通过共同的 $Z_4$ 李普曼数对称性，建立中微子狄拉克性质与暗物质稳定性之间的联系。
• 在该对称框架内，通过一级 seesaw 机制解释中微子质量的小量。
• 探讨离散 flavor 群如 $\Delta_{27}$ 和 $A_4$ 如何在中微子混合矩阵中生成可预测的 flavor 结构。
• 在模型中推导出可实验检验的预测，包括 CP 破坏和中微子质量顺序。

提出的方法

• 引入右手中微子和重的中性轻子，以实现小狄拉克型中微子质量的一级 seesaw 机制。
• 施加 $Z_4$ 李普曼数对称性（四次性），禁止所有阶次的马约拉纳质量项，从而确保中微子保持狄拉克型。
• 为新标量场分配 $Z_4$ 电荷，包括一个具有 $Z_4$ 电荷 $\mathbf{z}$ 的复标量 $\zeta$，其成为稳定的 WIMP 暗物质候选者。
• 利用 flavor 对称群 $\Delta_{27}$ 和 $A_4$ 约束 Yukawa 耦合，并生成中微子混合角的具体预测。
• 构建包含 $\Phi$、$\chi$、$\eta$ 和 $\zeta$ 的标量势，其中仅 $\zeta$ 因其 $Z_4$ 电荷和缺乏衰变耦合而保持稳定。
• 分析模型的物理解释，包括通过 Higgs 交换的直接探测和不可见 Higgs 衰变，以检验暗物质的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能通过单一离散对称性，自然地将 WIMP 暗物质候选者的稳定性与中微子的狄拉克性质联系起来？
• RQ2 $Z_4$ 四次性对称性如何在所有阶次上禁止马约拉纳质量项，从而确保中微子的狄拉克性？
• RQ3 当 $Z_4$ 与 $\Delta_{27}$ 或 $A_4$ flavor 群结合时，会涌现出何种 flavor 结构？其对中微子混合角的预测结果如何？
• RQ4 该模型能否在保持小中微子质量的同时，重现观测到的中微子混合参数，包括 CP 破坏和质量顺序？
• RQ5 在此框架下，暗物质候选者 $\zeta$ 的直接和间接探测信号是什么？

主要发现

• $Z_4$ 对称性在树图层级及更高阶次上禁止所有马约拉纳质量项，由于所有中性费米子具有非平凡的 $Z_4$ 电荷，从而确保中微子保持狄拉克型。
• 具有 $Z_4$ 电荷 $\mathbf{z}$ 的复标量 $\zeta$ 是稳定的，因为它不与其它标量或费米子耦合，因此成为可行的 WIMP 暗物质候选者。
• 该模型预测 CP 破坏相位 $\delta_{CP}$ 与大气混合角 $\theta_{23}$ 之间存在强相关性，且 $\theta_{23}$ 位于第二象限。
• 在 $A_4$ flavor 对称性实现下，模型预测 $\theta_{23}^\nu = 45^\circ$，$\delta^\nu = \pm 90^\circ$，且仅允许正常中微子质量顺序。
• 出现一个广义质量关系 $m_b / \sqrt{m_d m_s} \approx m_\tau / \sqrt{m_e m_\mu}$，将夸克与带电轻子质量联系起来。
• 该模型预测中微子振荡中存在显著的 CP 破坏，$J_{CP}$ 与 $\sin^2\theta_{23}$ 强烈相关，且与 $2\sigma$ 实验范围一致。