[论文解读] Minimal Seesaw Model with a Discrete Heavy-Neutrino Exchange Symmetry

T. Rink, Kai Schmitz+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2016

Neutrino Physics Research参考文献 22被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种仅包含两个右手中微子（$N_1$, $N_2$）的最小类型-I seesaw模型，二者构成一个伪狄拉克对，通过Yukawa相互作用中的离散对称性 $N_1 \leftrightarrow iN_2$ 和质量项中的 $N_1 \leftrightarrow N_2$ 对称性实现。该模型通过Froggatt-Nielsen荷实现中微子Yukawa矩阵的味对齐与双零纹理，预测了正常的中微子质量顺序、接近最大值的$CP$破坏相位（$ olinebreak heta \simeq 3/2\pi$），以及共振重子数不对称生成，所有结果均来自一个UV完备、高度可预测的框架，仅包含三个独立参数。

ABSTRACT

We present a Froggatt-Nielsen flavor model that yields a minimal realization of the type-I seesaw mechanism. This seesaw model is minimal for three reasons: (i) It features only two rather than three right-handed sterile neutrinos: N_1 and N_2, which form a pair of pseudo-Dirac neutrinos; (ii) the neutrino Yukawa matrix exhibits flavor alignment, i.e., modulo small perturbations, it contains only three independent parameters; and (iii) the N_1,2 coupling to the electron flavor is parametrically suppressed compared to the muon and tau flavors, i.e., the neutrino Yukawa matrix exhibits an approximate two-zero texture. Crucial ingredients of our model are (a) Froggatt-Nielsen flavor charges consistent with the charged-lepton masses as well as (b) an approximate, discrete exchange symmetry that manifests itself as N_1 i N_2 in the heavy-neutrino Yukawa interactions and as N_1 N_2 in the heavy-neutrino mass terms. This model predicts a normal light-neutrino mass hierarchy, a close-to-maximal CP-violating phase in the lepton mixing matrix, δ~3/2π, as well as resonant leptogenesis in accord with arguments from naturalness, vacuum stability, perturbativity and lepton flavor violation.

研究动机与目标

• 构建类型-I seesaw机制的最简实现，以减少参数空间。
• 通过Froggatt-Nielsen味荷，在中微子Yukawa矩阵中实现味对齐与双零纹理。
• 在Yukawa耦合中引入近似离散对称性（$N_1 \leftrightarrow iN_2$），在质量项中引入 $N_1 \leftrightarrow N_2$，以抑制电子味耦合。
• 预测正常的轻子中微子质量顺序与接近最大值的$CP$破坏相位（$ olinebreak\delta \simeq 3/2\pi$），并符合自然性与重子数不对称生成的要求。
• 提供一个UV完备、可预测的框架，满足真空稳定性、微扰性以及轻子味破坏约束。

提出的方法

• 将仅含两个右手中微子的最小seesaw拉格朗日量嵌入到Froggatt-Nielsen $U(1)_{\rm FN}$味对称性中，以解释带电轻子的质量层次。
• 为费米子和标量场$\Phi$分配特定的Froggatt-Nielsen荷，以生成层次化的Yukawa耦合。
• 在Yukawa相互作用中引入近似离散对称性 $N_1 \leftrightarrow iN_2$，在质量项中引入 $N_1 \leftrightarrow N_2$，以强制实现双零纹理并抑制$N_2$对电子味的耦合。
• 使用seesaw公式，从重标度后的Yukawa耦合计算轻子中微子质量与PMNS混合矩阵。
• 利用中微子振荡实验数据进行数值分析，预测狄拉克$CP$相位$ olinebreak\delta$与马约拉纳相位。
• 将seesaw拉格朗日量视为主导阶近似，微小的对称性破缺修正项生成非零的轻子中微子质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅含两个右手中微子的类型-I seesaw模型能否在保持高度可预测性的同时，重现观测到的中微子振荡数据？
• RQ2 如何通过味对称性和抑制机制自然地实现Yukawa矩阵中的双零纹理？
• RQ3 近似离散对称性（$N_1 \leftrightarrow iN_2$）在抑制电子味耦合与强制实现味对齐中起到何种作用？
• RQ4 该最小模型是否预测了正常的中微子质量顺序与接近最大值的$CP$破坏相位（$ olinebreak\delta \simeq 3/2\pi$）？
• RQ5 该模型是否能在满足真空稳定性、微扰性与轻子味破坏约束的前提下，支持共振重子数不对称生成？

主要发现

• 该模型预测了正常的轻子中微子质量顺序，与当前中微子振荡数据及理论自然性一致。
• 狄拉克$CP$破坏相位被预测为接近最大值，$ olinebreak\delta \simeq 3/2\pi$，源于味对齐结构与离散对称性。
• 中微子Yukawa矩阵表现出近似的双零纹理，电子味耦合相对于μ子与τ子味被显著抑制。
• 由于伪狄拉克对$N_1$与$N_2$之间存在质量层级分裂，实现了共振重子数不对称生成，从而高效地产生$B-L$不对称性。
• 尽管参数数量极少，该模型仍为UV完备，且满足真空稳定性、微扰性与轻子味破坏约束。
• 对主导阶拉格朗日量的微小对称性破缺修正项生成了非零的轻子中微子质量，PMNS矩阵由重标度后的Yukawa耦合决定。