[论文解读] Low Energy Signatures of the TeV Scale See-Saw Mechanism

Alejandro Ibarra, Emiliano Molinaro+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 41

一句话总结

本文研究了在TeV尺度下具有右手上/下中微子的类型I seesaw机制，表明其与标准模型粒子的耦合受到中微子振荡数据和$μ\to e+\gamma$衰变极限的严格约束。尽管这些约束抑制了大型强子对撞机（LHC）的发现潜力，但该模型仍可将无中微子双贝塔衰变增强至GERDA实验的探测灵敏度水平，并预测$μ\to e+\gamma$衰变速率达到MEG实验的探测灵敏度范围，使得这些过程成为TeV尺度seesaw物理的关键间接探测手段。

ABSTRACT

We study a type I see-saw scenario where the right-handed (RH) neutrinos, responsible for the light neutrino mass generation, lie at the electroweak scale. Under certain conditions, the strength of the charged and neutral current weak interactions of the Standard Model particles with the heavy RH neutrinos can be large enough to allow their production at the LHC, opening also the possibility of observing other low energy signatures of the new physics in the electroweak precision observables as well as in searches for rare leptonic decays or neutrinoless double beta decay. We argue that in this scenario the flavour structure of the neutrino Yukawa couplings is essentially determined by the low energy neutrino parameters, leading to fairly strong correlations among the new phenomena. In particular, we show that the present bound on the $μ o e +γ$ decay rate makes very difficult the observation of the heavy RH neutrinos at the LHC or the observation of deviations from the Standard Model predictions in the electroweak precision data. We also argue that all present experimental constraints on this scenario still allow i) for an enhancement of the rate of neutrinoless double beta decay, which thus can be in the range of sensitivity of the GERDA experiment even when the light Majorana neutrinos possess a normal hierarchical mass spectrum, and ii) for the predicted $μ o e+ γ$ decay rate to be within the sensitivity range of the MEG experiment.

研究动机与目标

• 分析具有电弱尺度右手上/下中微子的类型I seesaw机制的低能现象学。
• 确定由中微子振荡数据和$μ\to e+\gamma$衰变速率推导出的右手上/下中微子耦合的约束条件。
• 评估在这些约束条件下，右手上/下中微子在大型强子对撞机（LHC）上被探测到的可行性。
• 评估该情景下无中微子双贝塔衰变($(ββ)_{0\nu}$)和$μ\to e+\gamma$衰变速率增强的潜力。

提出的方法

• 分析采用TeV尺度的右手上/下中微子的类型I seesaw机制，其质量与耦合通过PMNS混合矩阵与低能中微子参数相关联。
• 从PMNS矩阵和中微子Yukawa耦合矩阵推导右手上/下中微子的带电流和中性流耦合，整体尺度由最大的Yukawa本征值$y$固定。
• 利用包含右手上/下中微子的一圈图计算辐射型轻子味破坏衰变（$μ\to e+\gamma$），振幅以混合角、CP相位和$y$表示。
• 评估电弱精确可观测量以评估其对标准模型的偏离，受当前实验限制约束。
• 计算$(ββ)_{0\nu}$衰变振幅，包括重Majorana中微子交换的贡献，其速率因seesaw机制而增强。
• 在中微子振荡数据、$μ\to e+\gamma$极限和电弱精确数据的约束下扫描参数空间，以识别可行区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低能中微子数据和$μ\to e+\gamma$衰变极限的约束下，质量在100–1000 GeV范围内的右手上/下中微子是否可在大型强子对撞机（LHC）上产生？
• RQ2 测量的中微子混合角和质量平方差在多大程度上约束了重右手上/下中微子的带电流和中性流耦合？
• RQ3 即使在正常中微子质量顺序下，TeV尺度右手上/下中微子的交换能在多大程度上增强无中微子双贝塔衰变的速率？
• RQ4 这些右手上/下中微子产生的$μ\to e+\gamma$衰变速率是否在MEG实验的探测灵敏度范围内？
• RQ5 $μ\to e+\gamma$与$(ββ)_{0\nu}$衰变速率之间的相互作用能否为TeV尺度seesaw机制提供一致的信号？

主要发现

• 目前对$μ\to e+\gamma$衰变速率的限制严重约束了Yukawa耦合$y$，使得重右手上/下中微子的带电流和中性流耦合过小，无法在大型强子对撞机（LHC）上实现可观测的产生。
• 即使在$μ\to e+\gamma$的严格约束下，该模型仍可显著增强无中微子双贝塔衰变的速率，使其达到GERDA实验的探测灵敏度范围，即使在正常中微子质量顺序下亦成立。
• 预测的$μ\to e+\gamma$衰变速率仍处于即将开展的MEG实验的探测灵敏度范围内，使其成为TeV尺度seesaw机制的关键间接探测手段。
• $μ\to e+\gamma$与$(ββ)_{0\nu}$衰变速率之间的强相关性源于对相同中微子混合参数和Yukawa耦合的共同依赖，限制了退简并参数$z$和Majorana相位的独立提取。
• 该模型要求两个重右手上/下中微子形成伪狄拉克对，以重现轻中微子的小质量，即使在没有精确轻子数守恒的情况下亦成立。
• 中微子振荡数据和$μ\to e+\gamma$极限的约束意味着CC和NC耦合$|(RV)_{\ell k}|$仅由整体尺度决定，无法对耦合进行独立调制。