[论文解读] Experimental and cosmological constraints on heavy neutrinos

Marco Drewes, Björn Garbrecht|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 195被引用 31

一句话总结

本文研究了一个在π介子与W玻色子质量之间的低能标跷辉模型，包含三个右手中微子，表明该模型可解释中微子振荡与重子不对称性。结合实验与宇宙学约束，预测在LHCb、BELLE II、SHiP以及特别是未来环形对撞机（FCC）中可实现探测，质量范围约为几GeV。

ABSTRACT

We study experimental and cosmological constraints on the extension of the Standard Model by three right handed neutrinos with masses between those of the pion and W-boson. This low scale seesaw scenario allows to simultaneously explain the observed neutrino oscillations and baryon asymmetry of the universe. We combine indirect experimental constraints from neutrinoless double $\beta$-decay, lepton flavour violation and neutrino oscillation data with bounds from past direct searches and big bang nucleosynthesis. For masses of a few GeV the heavy right handed neutrinos can be found in meson decays at LHCb, BELLE II or the proposed SHiP experiment, for larger masses they can be searched for in ATLAS and CMS. The chances for a discovery would be even better at a Future Circular Collider.

研究动机与目标

• 探讨在GeV量级下，具有右手中微子的低能标跷辉机制的可行性，以连接中微子质量生成与重子生成机制。
• 评估此类重中微子与现有实验限制（包括无中微子双贝塔衰变、轻子味破坏以及直接探测）的相容性。
• 评估大爆炸核合成（BBN）对重右手中微子性质与寿命的宇宙学约束。
• 识别最佳探测通道与实验装置——如LHCb、BELLE II、SHiP以及未来环形对撞机——以探测这些重右手中微子。

提出的方法

• 结合中微子振荡数据、无中微子双贝塔衰变以及轻子味破坏的间接约束，以限制重右手中微子的混合参数。
• 纳入过去实验的直接探测限制，以约束重中微子在介子衰变与高能碰撞中的产生与衰变率。
• 应用大爆炸核合成（BBN）约束，以限制重中微子的寿命与衰变宽度，确保其不会破坏轻元素的丰度。
• 通过建模其产生截面与衰变信号，评估重中微子在特定实验（LHCb、BELLE II、SHiP、ATLAS、CMS）中的探测潜力。
• 预测未来环形对撞机（FCC）的探测能力，估算因更高亮度与能量而带来的灵敏度提升。
• 采用包含三个右手中微子的跷辉机制，以生成小的活性中微子质量，并实现轻子生成以解释重子不对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有GeV量级右手中微子的低能标跷辉模型，能否同时解释中微子振荡与宇宙中观测到的重子不对称性？
• RQ2 无中微子双贝塔衰变、轻子味破坏与大爆炸核合成的联合约束，对重右手中微子的混合与质量参数有何限制？
• RQ3 在LHCb、BELLE II、SHiP或未来环形对撞机中，哪类实验设施最有可能发现质量在GeV量级的重右手中微子？
• RQ4 过去实验的直接探测限制如何塑造该模型中重中微子的可行参数空间？
• RQ5 与当前LHC实验相比，未来对撞机（如FCC）在探测潜力方面可实现哪些提升？

主要发现

• 质量约为几GeV的重右手中微子处于LHCb、BELLE II以及计划中的SHiP实验的探测范围内。
• 对于更高质量的中微子，ATLAS与CMS在LHC上的高能质子对撞实验提供了可行的探测通道。
• 未来环形对撞机预计将显著提升探测能力，得益于更高的亮度与能量。
• 来自大爆炸核合成的宇宙学约束限制了重中微子的衰变宽度与寿命，从而限制了其丰度及其对轻元素合成的影响。
• 来自无中微子双贝塔衰变与轻子味破坏的间接约束进一步收紧了大混合角下允许的参数空间。
• 该模型通过包含三个右手中微子的跷辉机制，成功将小中微子质量与重子不对称性统一解释，提供了一种低能标下的统一机制。