[论文解读] Dirac Radiative Neutrino Mass with Modular Symmetry and Leptogenesis

Arnab Dasgupta, Takaaki Nomura+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 8

一句话总结

该论文提出了一种基于模形式 A₄ 对称性的最小 Dirac 辐射中微子质量模型，通过影子机制自然地实现小中微子质量，同时通过中微子生成机制同时产生物质-反物质不对称性。该模型仅用少数输入参数即可预测中微子质量、混合角和 CP 相位，通过 R-宇称和一个偶然 Z₂ 对称性实现多组分暗物质，尽管中微子为 Dirac 型且轻子数守恒，仍能实现可行的轻子生成机制。

ABSTRACT

Minimalistic Dirac radiative neutrino mass model based on modular symmetry is proposed. We predict maximum number of observables possible including neutrino mass splittings, neutrino mass scale, lepton mixing angles, and Dirac phases in the leptonic sector with minimum number of input parameters possible. Model is capable of accommodating multicomponent dark matter, thanks to the $\emph{R}-$parity and accidental scotogenic $\mathbb{Z}_2$ discrete symmetry. Furthermore, even-though neutrinos are Dirac in our model, matter-antimatter asymmetry of the Universe is achieved via neutrinogenesis mechanism. Phenomenology of the dark sector including various dark matter candidates is briefly discussed.

研究动机与目标

• 基于模形式 A₄ 对称性构建一个最小的 Dirac 辐射中微子质量模型，以在不引入 Majorana 项的情况下解释小中微子质量。
• 通过 R-宇称和一个偶然 Z₂ 对称性，统一辐射中微子质量生成与暗物质稳定性。
• 尽管轻子数守恒且中微子为 Dirac 型，仍通过中微子生成机制实现重子生成。
• 在最小化输入参数数量的同时，最大化中微子混合角、质量劈裂和 CP 相位的预测能力。
• 建立一个框架，使模对称性同时控制味结构和暗物质稳定性。

提出的方法

• 该模型利用模形式 A₄ 对称性来约束 Yukawa 耦合和标量势，确保在一阶圈图水平实现辐射中微子质量生成。
• 引入一种影子机制，包含一个复标量单态和重的右手中微子，通过圈修正生成 Dirac 中微子质量。
• 通过引入 R-宇称和一个偶然 Z₂ 对称性，稳定多个暗物质候选者，包括费米子和标量态。
• 在右手中微子 sector 中实现中微子生成，通过 Yukawa 耦合中的 CP 违反相位生成物质-反物质不对称性。
• 利用模形式和模权重来固定 Yukawa 耦合和质量矩阵的结构，从而减少自由参数。
• 通过数值扫描基准点，拟合中微子振荡数据，最小化 χ² 以约束模型参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否基于模形式 A₄ 对称性，仅用少数输入参数，构建一个最小的 Dirac 辐射中微子质量模型？
• RQ2 在 Dirac 中微子和轻子数守恒的模型中，如何一致地稳定多组分暗物质？
• RQ3 在中微子为 Dirac 型且轻子数守恒的模型中，能否通过轻子生成机制产生物质-反物质不对称性？
• RQ4 模对称性在预测中微子混合角、CP 相位和质量劈裂方面起到什么作用？
• RQ5 场的模权重和变换性质如何约束中微子质量矩阵和暗物质 sector 的结构？

主要发现

• 该模型预测中微子质量为正常顺序，中微子质量总和约为 59.0 meV。
• 大气和太阳中微子质量劈裂分别预测为 Δm²ₐₜₘ = 2.52×10⁻³ eV² 和 Δm²ₛₒₗ = 7.53×10⁻⁵ eV²。
• 该模型预测混合角为 sin²θ₁₂ = 0.295，sin²θ₂₃ = 0.451，sin²θ₁₃ = 0.0219，与当前全球拟合结果一致。
• Dirac CP 相位预测为 δCP = 18.0°，χ² 不确定度为 √Δχ² = 1.32，表明与数据高度一致。
• 预测了重的中性费米子（Nᵢ）质量在 1–10 TeV 范围内，质量分别为 M₀ = 8.1 TeV，Dₙ₁ = 6.34 TeV，Dₙ₂ = 10.1 TeV，Dₙ₃ = 16.4 TeV。
• 暗标量态（Hᵢ）预测质量为 4.66–5.49 TeV，右手中微子 sector 所需的 CP 违反相位约为 10⁻⁶。