[论文解读] Neutrino and Charged Lepton Flavour Today

Rodrigo Alonso, M.B. Gavela+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 69被引用 4

一句话总结

本文研究了在类型-I seesaw机制背景下中微子与带电轻子味违反的问题，重点关注原子核中μ→e转换作为新物理的探测手段。研究表明，右手中微子 sector 中的O(2)_{N}味对称性导致最大混合角和最大马约拉纳相位，强烈关联中微子质量顺序与混合模式，同时对不同靶核中μ→e转换、μ→eγ和μ→eee的相对速率提供了精确预测。

ABSTRACT

Flavour physics is a priceless window on physics beyond the Standard Model. In particular, flavour violation in the lepton sector looks very promising, as high precision measurements are prospected in future experiments investigating on $μ ightarrow e$ conversion in atomic nuclei: the predictions for this observable are analysed in the context of the type I Seesaw mechanism. Furthermore, new ideas to explain the Flavour Puzzle recently appeared, mainly based on a possible dynamical origin of the Yukawa couplings and on flavour symmetries. The focus of this proceeding will be set on the Minimal Flavour Violation ansatz and on the role of the neutrino Majorana character: when an $O(2)_{N}$ flavour symmetry acts on the right-handed neutrino sector, the minimum of the scalar potential allows for large mixing angles -in contrast to the simplest quark case- and predicts a maximal Majorana phase. This leads to a strong correlation between neutrino mass hierarchy and mixing pattern.

研究动机与目标

• 分析通过原子核中μ→e转换观测带电轻子味违反作为新物理超出标准模型探测前景。
• 研究Yukawa耦合的动力学起源与味对称性（特别是O(2)_{N}）如何解释观测到的中微子混合模式与质量顺序。
• 阐明中微子马约拉纳性质在seesaw框架中生成最大混合角与最大马约拉纳相位的作用。
• 为不同靶核（Al、Ti、Au）中μ→e转换、μ→eγ与μ→eee速率的比值提供精确、模型无关的预测，以区分不同理论模型。
• 评估未来实验对右手中微子质量的探测灵敏度，表明μ→e转换可探测高达>1000 TeV、低至~2 GeV（在钛中）的质量尺度。

提出的方法

• 分析采用类型-I seesaw机制，通过重右手中微子积分生成轻子中微子质量，其机制为Weinberg算符。
• 论文计算了原子核中μ→e转换的形因子，包含重中微子质量中的对数项与常数项，解决了与先前计算的差异。
• 采用最小味违反（MFV）假设，约束有效理论中味违反算符的结构。
• 作者分析了在O(2)_{N}对称性下的标量势，表明仅此对称性能导致具有最大混合与π/2马约拉纳相位的最小值。
• 在三世代情况下，模型考虑G_{f}^{\ell} = U(3)_{\ell_{L}} × U(3)_{E_{R}} × O(2)_{N}，包含两个简并的右手中微子，使得简并区域内存在一个最大混合角与相位。
• 通过味对称性的双fundamental与fundamental表示之间的相互作用，生成第二个显著的混合角，而第三个混合角则源于微小扰动。

实验结果

研究问题

• RQ1 右手中微子 sector 中的O(2)_{N}味对称性是否能自然导致中微子质量矩阵中的最大混合角与最大马约拉纳相位？
• RQ2 μ→e转换、μ→eγ与μ→eee的速率在不同靶核中的相关性如何？这些比值能否用于区分不同模型？
• RQ3 形因子中非对数项对μ→e转换速率的影响是什么？为何其数值上显著？
• RQ4 包含动力学Yukawa耦合与味对称性如何解决轻子扇区中的味谜题？
• RQ5 具有O(2)_{N}对称性的两简并右手中微子情景是否能生成一个包含一个最大角度与微扰生成的第三角度的现实中微子混合模式？

主要发现

• 右手中微子 sector 中的O(2)_{N}对称性导致标量势的最小值具有最大混合角与最大马约拉纳相位π/2，与夸克情况相反。
• 在两世代情况下，该模型预测轻中微子谱简并且混合最大，马约拉纳相位被固定为π/2。
• 在具有两个简并右手中微子的三世代情况下，该模型预测在简并区域内存在一个最大混合角与相位，而第三个混合角则源于微小扰动。
• 不同靶核（Al、Ti、Au）中μ→e转换速率与μ→eγ及μ→eee速率的比值表现出不同的质量依赖性，可用于模型区分：例如，μ→e(Ti)与μ→eγ的比值约为1，意味着m_{N} ~ 10^{3}或10^{4} GeV。
• 对于m_{N} ~ 10^{3} GeV（10^{4} GeV），模型预测μ→e(Ti)与μ→eee的比值约为10（约1），提供可检验的信号。
• 未来的μ→e转换实验可探测右手中微子质量高达>1000 TeV，低至~2 GeV（在钛中），使其对广泛范围的seesaw模型高度敏感。