[论文解读] Gravitational wave complementarity and impact of NANOGrav data on gravitational leptogenesis: cosmic strings

Rome Samanta, Satyabrata Datta|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2020

Neutrino Physics Research参考文献 175被引用 96

一句话总结

本文提出通过宇宙弦诱导的引力波（GWs）和无中微子双贝塔衰变（0νββ）实验，对引力轻子生成进行互补探测。结果表明，右手中微子诱导的引力轻子生成机制通过量子引力效应产生轻子不对称性，其中NANOGrav的12.5年脉冲星计时数据在2σ水平下排除了m1 ≳25 meV，将引力波约束与0νββ探测灵敏度联系起来。

ABSTRACT

In seesaw mechanism, if right handed (RH) neutrino masses are generated dynamically by a gauged $U(1)$ symmetry breaking, a stochastic gravitational wave background (SGWB) sourced by a cosmic string network could be a potential probe of leptogenesis. We show that the leptogenesis mechanism that facilitates the dominant production of lepton asymmetry via the quantum effects of right-handed neutrinos in gravitational background, can be probed by GW detectors as well as next-generation neutrinoless double beta decay ($0 u\beta\beta$) experiments in a complementary way. We infer that for a successful leptogenesis, an exclusion limit on $f-\Omega_{ m GW}h^2$ plane would correspond to an exclusion on the $|m_{\beta\beta}|-m_1$ plane as well. We consider a normal light neutrino mass ordering and discuss how recent NANOGrav pulsar timing data (if interpreted as GW signal) e.g., at 95$\%$ CL, would correlate with the potential discovery or null signal in $0 u\beta\beta$ decay experiments.

研究动机与目标

• 建立宇宙弦引力波信号与右手中微子诱导的引力轻子生成（RIGL）机制可行性之间的联系。
• 探讨NANOGrav的12.5年脉冲星计时数据如何约束RIGL机制以及0νββ衰变中的有效电子中微子质量。
• 基于宇宙弦的引力波探测极限，推导出|mββ| − m1平面上的互补排除区域。
• 研究在成功轻子生成背景下，弦张力参数Gµ与最轻中微子质量m1之间的相互作用。
• 评估RIGL机制与近期NANOGrav数据的一致性，特别是在正常中微子质量顺序下。

提出的方法

• 构建RIGL机制，其中轻子不对称性源于涉及右手中微子的两圈量子引力效应，通过∂µRjµ/M²算符生成化学势。
• 利用共形平坦引力背景中的两圈自能图推导拉格朗日量中的有效耦合'b'，从而产生CPT破坏的化学势。
• 将弦张力µ ∼ Λ²_CS与引力波能量密度谱联系起来，使用Nambu–Goto作用量建模宇宙弦环的衰变与引力波发射。
• 计算来自宇宙弦的随机引力波背景（SGWB）功率谱，并与NANOGrav在f ∼1/year处观测到的共同谱过程进行比较。
• 利用观测到的引力波振幅约束弦张力参数Gµ，并通过RIGL机制将其转化为对最轻中微子质量m1的限制。
• 应用0νββ衰变参数|mββ|作为互补可观测量，基于引力波约束推导出|mββ| − m1平面上的相应排除区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 RIGL机制是否能通过引力波探测器与未来的0νββ实验实现互补探测？
• RQ2 NANOGrav的12.5年脉冲星计时数据如何约束RIGL机制，特别是对最轻中微子质量m1的限制？
• RQ3 弦张力Gµ与成功轻子生成下m1的上限之间存在何种关系？
• RQ4 NANOGrav在f ∼1/year处的信号在多大程度上支持宇宙弦模型，而非其他引力波源（如超大质量双黑洞）？
• RQ5 在f − ΩGWh²平面上，给定的引力波探测阈值对应于|mββ|的预测排除极限是多少？

主要发现

• 成功的RIGL机制要求Gµ > 4.4 × 10⁻¹¹，这为最轻中微子质量m1设定了上限m1 ≲ 12 meV。
• 在95%置信水平下，NANOGrav数据排除了m1 ≳ 25 meV，表明若NANOGrav信号被解释为来自宇宙弦的随机引力波背景，则RIGL机制不成立。
• 对弦张力参数Gµ的排除极限可转化为|mββ| − m1平面上的相应排除区域，从而可通过0νββ实验实现互补检验。
• 当考虑味效应时，该机制允许更低的最轻右手中微子质量标度M1 ∼ 10⁷ GeV，相较于标准热轻子生成的下限M1 > 10⁹ GeV更为宽松。
• 该模型预测SGWB振幅与有效电子中微子质量|mββ|之间存在强烈相关性，较高的Gµ允许更大的m1，从而对0νββ的约束更宽松。
• 宇宙弦模型对NANOGrav数据的拟合优于单幂律模型，支持该引力波源在探测新物理方面的可行性。