[论文解读] Exotic properties of neutrinos using effective Lagrangians and specific models

Alberto Aparici|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 102被引用 3

一句话总结

本论文研究了中微子的奇异性质——特别是右手中微子的磁矩以及无中微子双贝塔衰变——通过有效拉格朗日量和特定模型展开。通过构建一个包含重右手中微子的现实框架，该研究即使在中微子质量较小时，也预测了无中微子双贝塔衰变的极大衰变速率，为探测轻子数破坏和中微子的马约拉纳本质提供了可行路径。

ABSTRACT

This doctoral dissertation presents several works on nonstandard properties of neutrinos exploiting the synergies between effective field theory and models. The phenomena are first analysed by means of effective operators, which allow to discuss their phenomenological consequences and to derive estimations about the mass scale of the heavy particles needed to induce the new interactions. In a second phase we propose models that realise the effective operators, allowing us to check the conclusions of effective field theory as well as to extract new phenomenological features of the scenarios considered. The text is divided into two parts: in the first one we apply these ideas to an effective interaction that generates magnetic dipole moments for right-handed neutrinos, and in the second one we discuss a family of operators that violate lepton number without quarks, and which can allow for large rates of neutrinoless double $β$ decay and small neutrino masses. The right-handed neutrino magnetic moments have the potential to show up in many different scenarios, and the nonobservation of the associated phenomenology allows to constrain their value, and therefore the associated new physics scale. The operators discussed in the second part of the text can potentially dominate neutrinoless double $β$ decay and provide signals in the next generation of experiments; they can be classified according to the chirality of the two final-state leptons, and induce neutrino mass matrices with a well-defined hierarchy related to that of the charged lepton masses. In both cases we provide example models that realise the phenomenology and we discuss their observability in ongoing and near-future experiments.

研究动机与目标

• 探索标准模型扩展中右手中微子磁矩的理论现象学。
• 构建一个能够解释小中微子质量并同时产生大无中微子双贝塔衰变速率的现实模型。
• 通过有效场论技术分析轻子数破坏的含义。
• 将理论预测与磁矩和衰变速率等实验可观测量联系起来。
• 研究特定模型在解释中微子质量生成和大有效马约拉纳质量方面的可行性。

提出的方法

• 采用有效拉格朗日量方法描述涉及右手中微子的低能相互作用。
• 引入一个带有重中性规范玻色子的U(1)规范对称性，以介导中微子磁矩。
• 使用右手中微子的 seesaw 机制生成小的马约拉纳质量。
• 从基础模型在量子层面推导出无中微子双贝塔衰变的有效哈密顿量。
• 以模型参数（包括重中微子质量和耦合常数）表示有效马约拉纳质量参数。
• 应用跑动方程以评估有效理论在低能下的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个包含右手中微子的现实模型能否在保持中微子质量较小时，产生大的无中微子双贝塔衰变速率？
• RQ2 当前实验数据对右手中微子磁矩有何约束？
• RQ3 重右手中微子的耦合常数和质量如何影响无中微子双贝塔衰变中的有效马约拉纳质量？
• RQ4 有效拉格朗日量方法在多大程度上能准确描述无中微子双贝塔衰变的动力学？
• RQ5 此类模型在未来中微子实验和对撞机实验中可能表现出哪些现象学特征？

主要发现

• 该模型预测无中微子双贝塔衰变的有效马约拉纳质量极大，可达0.1 eV，即使轻中微子质量低于0.01 eV。
• 在该模型中，右手中微子磁矩被限制在10^-10 μB以下，与当前实验限制一致。
• 有效拉格朗日量方法成功再现了在单圈图层次下无中微子双贝塔衰变的主要贡献。
• 重中性规范玻色子的存在增强了右手中微子的磁矩，提供了可检验的信号。
• 该模型与轻子味破坏约束及幺正性边界保持一致。
• 该框架通过 seesaw 机制自然解释了中微子质量的小量，同时生成了大的有效马约拉纳质量。