[论文解读] Implication of Sterile Fermions in Particle Physics and Cosmology

Michele Lucente|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本博士论文研究了纯量费米子在扩展标准模型中的作用，以解决三个主要难题：通过逆跷跷板机制生成中微子质量、可行的暗物质候选者，以及通过低能规模轻子生成实现重子不对称性。论文识别出一种最小实现方案，包含两个右手中微子和三个纯量费米子，表明纯量中微子可通过活性-纯量振荡机制贡献高达43%的观测暗物质遗迹密度，此外还可通过重的伪狄拉克对的冻结产生衰变获得额外贡献。

ABSTRACT

The neutrino mass generation mechanism, the nature of dark matter and the origin of the baryon asymmetry of the Universe are three compelling questions that cannot be accounted for in the Standard Model of particle physics. In this thesis we focus on all these issues by providing a possible solution in terms of a minimal extension of the Standard Model, consisting in the addition of a set of sterile fermions to the field content of the theory. Sterile fermions are gauge singlet fields, that can interact via mixing with the active neutrinos. We focus on the Inverse Seesaw mechanism, which is characterised by a low (TeV or lower) new physics scale and that can be tested in current and future experimental facilities. We present the model building analysis that points towards the minimal realisations of the mechanism, and the phenomenological study in order to accommodate light neutrino masses and to impose all the relevant experimental constraints in the model, as well as the expected experimental signatures. We show the viability of the sterile neutrino hypothesis as dark matter component, together with the characteristic features of this scenario in the minimal Inverse Seesaw mechanism. The possibility of successfully accounting for the baryon asymmetry in a testable realisation of the leptogenesis mechanism is also addressed. On the other hand it is important to look for manifestations of sterile fermions in laboratory experiments. We address this point by making predictions for the expected rates of rare lepton number violating decays of vector bosons, that can be mediated by sterile fermions, as well as by studying the impact of sterile fermions on global fit of electroweak precision data.

研究动机与目标

• 探讨纯量费米子在扩展标准模型以解决中微子质量、暗物质和重子不对称性问题方面的现象学影响。
• 识别满足所有实验和宇宙学约束的逆跷跷板机制的最小实现方案。
• 通过活性-纯量中微子振荡和冻结产生过程，评估纯量费米子作为暗物质候选者的可行性。
• 研究近似轻子数对称性在实现低能规模轻子生成和重子不对称性生成中的作用。
• 利用电弱精确测量可观测量和稀有轻子味破坏衰变，约束纯量费米子参数。

提出的方法

• 采用微扰对角化方法处理中微子质量矩阵，以识别逆跷跷板框架下不同质量尺度的物理态。
• 对两种最小逆跷跷板实现方案（3+1 和 3+2 混合方案）进行了参数空间的数值探索。
• 利用电弱精确数据的全局拟合，推导出活性-纯量中微子混合的约束，包括一般跷跷板模型中的圈修正。
• 在最小逆跷跷板模型中，计算了由纯量费米子介导的稀有矢量玻色子衰变（如 Z → ℓ⁺ℓ⁻、夸克胶子共振态）的威尔逊系数。
• 通过振荡诱导产生和重的伪狄拉克对的冻结产生衰变，评估纯量费米子暗物质的遗迹丰度。
• 分析了重态衰变引起的熵注入对低能规模跷跷板模型中暗物质遗迹密度的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个包含两个右手中微子和三个纯量费米子的最小逆跷跷板模型，能否同时解释中微子质量、暗物质和重子不对称性？
• RQ2 在最小逆跷跷板设置下，纯量费米子通过活性-纯量中微子振荡对暗物质遗迹密度的最大贡献是多少？
• RQ3 一般跷跷板模型中的圈修正如何影响电弱精确测量数据对活性-纯量中微子混合的约束？
• RQ4 由纯量费米子介导的稀有Z玻色子衰变（如Z → ℓ⁺ℓ⁻）和夸克胶子共振态衰变的最大分支比是多少？
• RQ5 通过逆跷跷板模型中近似轻子数对称性的低能规模轻子生成，能否产生观测到的重子不对称性？

主要发现

• 包含两个右手中微子和三个纯量费米子的最小逆跷跷板模型，能够容纳观测到的中微子数据，同时满足所有实验和宇宙学约束。
• 在最小逆跷跷板设置下，纯量费米子可通过活性-纯量中微子振荡机制贡献高达43%的观测暗物质遗迹密度。
• 来自更重的伪狄拉克对衰变的熵注入略微增加了暗物质贡献，但正确的遗迹丰度主要通过重态的冻结产生衰变过程实现。
• 计算了由纯量费米子介导的稀有Z玻色子衰变至带电轻子的最大分支比，并发现其在最小逆跷跷板模型中处于当前实验约束范围内。
• 本研究识别出实现低能规模轻子生成的最简可行模型，表明逆跷跷板框架中近似轻子数守恒可实现GeV尺度上的成功重子生成。
• 一般跷跷板模型中的圈修正显著影响电弱精确测量数据对活性-纯量混合的约束，因此需要进行仔细的全局拟合。