[论文解读] Neutrino Masses at v^{3/2}

Nima Arkani–Hamed, Lawrence J. Hall+3 more|ArXiv.org|Jul 1, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 11

一句话总结

本文提出一种在超对称理论中通过引力介导机制生成中微子质量的机制，其质量量级为 $ m_I^3 $，而非传统的 $ v^2 $，以解释超级神冈实验的大气中微子数据。该机制提出两种模型：一种通过 Yukawa 抑制 $ \lambda_\tau^2 $，另一种通过圈图抑制，两者均能产生约 $ 0.1\,\text{eV} $ 的中微子质量，并探讨了丰富的现象学后果，包括可避开直接探测限制的、可行的右手上中微子暗物质。

ABSTRACT

Theories in which neutrino masses are generated by a conventional see-saw mechanism generically yield masses which are O(v^2) in units where M_{Pl}=1, which is naively too small to explain the results from SuperKamiokande. In supersymmetric theories with gravity mediated supersymmetry breaking, the fundamental small parameter is not v/M_{Pl}, but m_I/M_{Pl}, where m_I is the scale of supersymmetry breaking in the hidden sector. We note that m_I^3/M_{Pl}^2 is only slightly too large to explain SuperKamiokande, and present two models that achieve neutrino masses at this order in m_I, one of which has an additional suppression lambda_tau^2, while the other has additional suppression arising from a loop factor. The latter model shares a great deal of phenomenology with a class of models previously explored, including the possibility of viable sneutrino dark matter.

研究动机与目标

• 解决传统见-萨模型预测的中微子质量比超级神冈实验观测结果小 30 至 3000 倍的矛盾。
• 探讨在引力介导的超对称理论中，中微子质量是否可源于 $ O(m_I^3) $ 而非 $ O(v^2) $，其中 $ m_I \sim 10^{10}-10^{11}\,\text{GeV} $ 为基本小参数。
• 构建中微子质量 $ m_\nu \sim m_I^3 $ 的可行模型，以解释观测到的中微子质量尺度，包括 Yukawa 耦合或圈因子等抑制机制。
• 研究其现象学后果，特别是可避开直接探测限制的右手上中微子暗物质的可能性。

提出的方法

• 采用见-萨机制，其中右手上中微子获得 Majorana 质量 $ m_{RR} \sim m_I $，而 Dirac 质量 $ m_{LR} \sim m_I^2 $，从而导致见-萨质量 $ m_\nu \sim m_I^3 $。
• 引入一个超势项 $ XNN + LNH $，其中 $ X $ 获得 $ A $-项真空期望值 $ \langle X \rangle = m_I $，从而生成所需的 Dirac 和 Majorana 质量。
• 引入一个全局对称性 $ G $ 以保护右手上中微子质量，该对称性在隐藏 sector 中被打破，确保 $ m_I $ 为基本小参数。
• 引入一个破坏轻子数的质量项 $ \delta \tilde{\nu}_+ \tilde{\nu}_- $，使 CP 偶和 CP 奇的右手上中微子本征态发生分裂，从而抑制 $ Z $ 玻色子交换散射，避开直接探测限制。
• 利用圈因子和味对称性进一步抑制中微子质量，实现 $ m_\nu \sim \lambda_\tau^2 m_I^3 \approx 0.1\,\text{eV} $。
• 通过中性子交换分析遗迹丰度，表明 $ \Omega h^2 \propto \sin^4\theta $，当 $ \sin\theta \sim 0.16 $ 时可获得可接受的值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在引力介导的超对称理论中，中微子质量是否可源于 $ O(m_I^3) $ 而非 $ O(v^2) $，以解释超级神冈实验数据？
• RQ2 一个 $ m_I^3 $ 抑制的中微子质量机制具有哪些现象学后果，特别是对暗物质和对撞机信号的影响？
• RQ3 右手上中微子暗物质如何在满足遗迹密度约束的前提下避开直接探测实验？
• RQ4 味对称性或圈因子在实现正确中微子质量尺度中起到何种作用？
• RQ5 破坏轻子数的右手上中微子质量分裂是否能抑制 $ Z $-交换散射，并允许在直接探测实验中探测到 Higgs 介导的散射？

主要发现

• 当 $ m_I \sim 10^{10}-10^{11}\,\text{GeV} $ 时，中微子质量量级为 $ m_I^3 \sim 0.1\,\text{eV} $，与超级神冈实验数据一致。
• 采用 $ \lambda_\tau^2 $ 抑制的模型可产生 $ m_\nu \approx 0.1\,\text{eV} $，与大气中微子质量尺度相符。
• 圈抑制模型通过圈因子实现 $ m_\nu \sim m_I^3 $，其现象学与先前模型共享，包括可行的右手上中微子暗物质。
• 右手上中微子暗物质候选者是 $ \tilde{\nu}_+ $ 和 $ \tilde{\nu}_- $ 的混合态，质量分裂 $ \Delta m \gtrsim 20\,\text{keV} $，抑制了 $ Z $-交换散射，从而避开直接探测限制。
• Higgs 介导的散射截面为 $ \sigma \approx 1.8 \times 10^{-43} \sin^2 2\theta \left( \frac{A}{100\,\text{GeV}} \right)^2 \left( \frac{130\,\text{GeV}}{m_h} \right)^4 \left( \frac{100\,\text{GeV}}{m_{\tilde{\nu}}} \right)^2 \,\text{cm}^2 $，未来实验中可能被探测到。
• 当 $ \sin\theta \sim 0.16 $ 时，遗迹丰度是可行的，$ \Omega h^2 \approx \left( \frac{M_{\tilde{W}}}{100\,\text{GeV}} \right)^2 \left( \frac{\sin\theta}{0.16} \right)^4 $，由于左、右手上中微子分量的混合，其值受 $ \sin^4\theta $ 抑制。