[论文解读] Leptogenesis in minimal predictive seesaw models

Fredrik Björkeroth, Francisco J. de Anda+2 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 9

一句话总结

该论文提出了一种具有两个右手中微子和一个纹理零点的最小预测性跷跷板模型，通过单一相位将低能CP破坏与重子不对称性联系起来。结果表明，在CSD(n)模型中，当n=3,4时，可成功生成观测到的宇宙重子不对称性（BAU），预测最轻的右手中微子质量约为~5×10¹⁰ GeV，与SUSY GUT理论及实验提示的δ_CP ≈ -87°一致。

ABSTRACT

We estimate the Baryon Asymmetry of the Universe (BAU) arising from leptogenesis within a class of minimal predictive seesaw models involving two right-handed neutrinos and simple Yukawa structures with one texture zero. The two right-handed neutrinos are dominantly responsible for the "atmospheric" and "solar" neutrino masses with Yukawa couplings to $(ν_e, ν_μ, ν_τ)$ proportional to $(0,1,1)$ and $(1,n,n-2)$, respectively, where $n$ is a positive integer. The neutrino Yukawa matrix is therefore characterised by two proportionality constants with their relative phase providing a leptogenesis-PMNS link, enabling the lightest right-handed neutrino mass to be determined from neutrino data and the observed BAU. We discuss an $SU(5)$ SUSY GUT example, where $A_4$ vacuum alignment provides the required Yukawa structures with $n=3$, while a $\mathbb{Z}_9$ symmetry fixes the relatives phase to be a ninth root of unity.

研究动机与目标

• 探索具有两个右手中微子和一个纹理零点的最小跷跷板模型中，轻子生成能否被一致实现。
• 建立低能中微子混合中CP破坏与宇宙重子不对称性（BAU）之间的直接联系。
• 在CSD(n)框架下，根据观测到的BAU和中微子数据，确定最轻右手中微子质量M₁。
• 构建一个基于A₄×SU(5)的可行SUSY GUT模型，实现所需的Yukawa结构，并预测轻子生成相位的自然值。

提出的方法

• 该模型采用具有Yukawa耦合与(0,1,1)和(1,n,n−2)成比例的双右手中微子跷跷板机制，分别对应大气和太阳分量。
• PMNS混合矩阵和中微子质量由Yukawa耦合a、b的大小以及相对相位η = arg(a²/b²)决定，该相位同时控制低能CP破坏和轻子生成。
• 通过衰变不对称性ϵ₁,μ和ϵ₁,τ计算风味轻子生成，其比值ϵ₁,μ/ϵ₁,τ = n/(n−2)，且洗脱参数η₁,μ = η₁,τ相同。
• 利用观测到的中微子混合角和质量平方差计算重子不对称性Y_B，并通过要求Y_B = (0.87±0.01)×10⁻¹⁰来约束M₁。
• 构建一个具有A₄真空对齐和ℤ₉对称性的SU(5) SUSY GUT模型，以实现CSD(3)结构且η = 2π/3。
• 该模型预测M₁ ≈ 5×10¹⁰ GeV，且δ_CP ≈ -87°，与当前实验提示一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有两个右手中微子和一个纹理零点的最小跷跷板模型能否通过轻子生成成功生成观测到的重子不对称性？
• RQ2 相对相位η = arg(a²/b²)在连接低能CP破坏与轻子生成中起什么作用？
• RQ3 在CSD(n)框架下，轻子生成在哪些n值下可行，且预测的右手中微子质量是多少？
• RQ4 是否存在一个现实的SUSY GUT模型，能够实现所需的Yukawa结构并预测轻子生成相位的自然值？
• RQ5 宇宙重子不对称性的符号与中微子振荡中CP破坏相位δ_CP之间是否存在相关性？

主要发现

• 当n=1（对应三重最大混合）时，轻子生成失败，因为衰变率中的抵消导致不对称性消失。
• 当n≥3时，电子味不贡献于轻子不对称性，而μ子和τ子不对称性的比值为ϵ₁,μ/ϵ₁,τ = n/(n−2)。
• μ子和τ子味的洗脱参数相等：η₁,μ = η₁,τ，简化了最终重子不对称性的计算。
• 该模型预测，对于CSD(3)和CSD(4)，最轻右手中微子质量M₁ ≈ 5×10¹⁰ GeV，与观测到的BAU一致。
• 具有A₄×ℤ₉对称性的SU(5) SUSY GUT模型自然实现了CSD(3)结构且η = 2π/3，导致δ_CP ≈ -87°，与当前实验提示一致。
• 重子不对称性的符号与CP破坏符号相关：正Y_B意味着sinη > 0，从而导致sinδ_CP < 0，与观测趋势一致。