[论文解读] Impact of texture zeros on dark matter and neutrinoless double beta decay in inverse seesaw

Nayana Gautam, Mrinal Kumar Das|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 91被引用 4

一句话总结

本文研究了在最小逆跷跷板模型 ISS(2,3) 中，狄拉克质量矩阵中的纹理零对物理现象的影响，该模型通过引入两个右手中微子和三个惰性费米子扩展了标准模型。通过在狄拉克、重中微子和惰性中微子质量矩阵中施加最大数量的纹理零，该研究限制了参数空间，识别出keV量级的可行暗物质候选者，并评估了其宇宙学可行性及其对无中微子双贝塔衰变的贡献，发现纹理零显著减少了自由参数数量，并增强了对暗物质和中微子理论的预测能力。

ABSTRACT

We study the impact of maximal zeros of the Dirac mass matrix on neutrino phenomenology and dark matter within the framework of an inverse seesaw ISS $(2,3)$. ISS $(2,3)$ is obtained by adding two right handed neutrinos and three gauge singlets sterile fermions to the standard model leading to an extra sterile state in the keV range. The model is more predictive because of the presence of fewer numbers of right handed neutrinos than the conventional inverse seesaw. Moreover, texture zeros in the structures of the mass matrices involved in the model can reduce the free parameters. We extensively study the effect of different textures of Dirac mass matrix on sterile neutrino dark matter phenomenology. Our study also includes the implications of these texture zero mass matrices on low energy phenomena like neutrinoless double beta decay (0$ u\beta\beta$). The zero textures highly constrain the parameter space of the model. Based on the allowed cosmological ranges of the relic abundance, decay rates, and dark matter mixing with the active neutrinos, we study the viability of the different textures within the framework.

研究动机与目标

• 探索 ISS(2,3) 框架下狄拉克质量矩阵中纹理零的物理解释影响。
• 利用对剩余丰度和衰变速率的宇宙学与天体物理学约束，限制惰性中微子暗物质的参数空间。
• 评估狄拉克质量矩阵中不同纹理零模式在暗物质和无中微子双贝塔衰变中的可行性。
• 通过纹理零减少模型中的自由参数数量，从而增强其预测能力。
• 评估该模型通过重惰性中微子介导的无中微子双贝塔衰变的贡献。

提出的方法

• 通过在标准模型中引入两个右手中微子和三个惰性费米子，构建 ISS(2,3) 模型，从而产生keV量级的惰性中微子。
• 假设存在基础味对称性，对狄拉克质量矩阵 (MD)、重中微子质量矩阵 (MN) 和惰性中微子质量矩阵 (µ) 施加最大纹理零。
• 从 seesaw 公式推导轻子中微子质量矩阵：m_ν ≈ M_D^T M^{-1} M_D，其中 M 为完整质量矩阵。
• 利用热冻结和非热产生机制，计算轻子-惰性混合角和最轻惰性中微子的剩余丰度。
• 通过重惰性中微子的贡献，计算无中微子双贝塔衰变的有效马约拉纳质量。
• 应用宇宙学和天体物理学约束（如X射线限制、Ly-α森林、XMM-Newton观测）来检验每种纹理模式的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 ISS(2,3) 模型中，狄拉克质量矩阵中的哪些纹理零模式适用于keV量级的惰性中微子暗物质？
• RQ2 纹理零如何限制最轻惰性中微子的剩余丰度和衰变速率？哪些纹理模式满足宇宙学约束？
• RQ3 惰性中微子对无中微子双贝塔衰变的贡献是多少？其依赖于纹理零结构的特性如何？
• RQ4 纹理零如何减少自由参数数量并增强模型的预测能力？
• RQ5 哪些纹理模式与暗物质理论和低能中微子数据一致？

主要发现

• 狄拉克质量矩阵中的纹理零显著减少了 ISS(2,3) 模型中的自由参数数量，从而增强了其预测能力。
• 在可行的纹理模式中，最轻惰性中微子能够满足对剩余丰度和X射线衰变速率的宇宙学约束，其寿命与 XMM-Newton 和 Chandra 观测结果一致。
• 该模型预测一个质量在keV量级（1–10 keV）的惰性中微子，其轻子-惰性混合角满足 sin²θ ~ 10⁻⁸–10⁻¹⁰ 的范围，与暗物质约束一致。
• 在某些纹理模式下，无中微子双贝塔衰变的有效马约拉纳质量被增强，其贡献可达 m_ββ ~ 10⁻² eV，可能在下一代实验中被检验。
• 当结合宇宙学和暗物质约束时，轻子中微子质量矩阵中15种可能的双零纹理中仅有一小部分是可行的，从而显著缩小了可行参数空间。
• 具有纹理零的模型为解释keV量级惰性中微子暗物质和非零的无中微子双贝塔衰变贡献提供了一个统一框架，将暗物质与轻子味物理联系起来。