[论文解读] Neutrino masses, mixing, and leptogenesis in an S3 model

Arturo Álvarez Cruz, Myriam Mondragón|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文研究了在具有三个右手中微子和三个希格斯双态的S3-3H模型中中微子质量、混合及轻子生成机制。该文推导出非简并右手中微子质量下PMNS矩阵的新参数化形式，并表明即使在非简并情况下，成功的轻子生成也能以低至$10^6$ GeV的右手中微子质量生成观测到的宇宙重子不对称性，为标准模型之外的重子生成提供了一种可行机制。

ABSTRACT

In this work we use previous results on the masses and mixing of neu- trinos of an S3 model with three right-handed Majorana neutrinos and three Higgs doublets, to reduce one parameter in the case when two of the right-handed neutrinos are mass degenerate. We derive a new param- eterization for the VP M N S mixing matrix, with a new set of parameters, in the more general case where the right-handed neutrino masses are dif- ferent. With these results, we calculate leptogenesis and the associated baryogenesis in the model in the two different scenarios. We show that it is possible to have enough leptogenesis to explain the baryonic asymmetry with right-handed neutrino masses above 10^{6} GeV.

研究动机与目标

• 将S3-3H模型扩展至包含非简并右手中微子马约拉纳质量，突破以往研究中假设质量简并的限制。
• 推导一种新的PMNS混合矩阵参数化形式，以包含完整的非简并质量谱，并与近期中微子振荡实验数据相匹配。
• 在质量简并与非简并的右手中微子质量情形下，计算轻子生成及其相关的重子生成机制。
• 识别出模型能够生成观测到的宇宙重子不对称性的参数空间可行区域。

提出的方法

• 利用S3 flavor对称性，结合三个希格斯双态与三个右手中微子马约拉纳费米子，构建轻子质量的 seesaw 型模型。
• 基于狄拉克质量矩阵与马约拉纳质量矩阵中的角度与相位，推导出新的PMNS矩阵参数化形式，并施加实验中微子混合数据的约束。
• 实施$χ^2$分析，将新参数拟合至当前中微子振荡实验数据，包括更新后的反应堆角$\theta_{12}$值。
• 利用公式$\epsilon \propto \text{Im}[\text{tr}(m_D^\dagger m_D M^{-1})]$计算右手中微子衰变中的CP不对称性，考虑衰变振幅之间的干涉效应。
• 通过参数空间的数值扫描评估通过轻子生成产生的重子不对称性，重点关注质量与相位的依赖关系。
• 比较质量简并与非简并右手中微子质量情形，评估其对轻子生成机制尺度与可行性的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非简并右手中微子质量的S3-3H模型中，通过新的PMNS参数化形式，能否重现观测到的中微子混合角与质量？
• RQ2 在非简并情况下，轻子生成不对称性对右手中微子相位与质量比的依赖关系如何？
• RQ3 当右手中微子质量低于$10^{12}$ GeV时，特别是在非简并情形下，是否可能通过轻子生成机制实现足够的重子不对称性？
• RQ4 在质量简并与非简并右手中微子质量情形下，成功实现轻子生成的参数空间有何差异？
• RQ5 在该模型中，共振轻子生成如何降低对右手中微子质量的最低要求？

主要发现

• 推导出适用于非简并右手中微子质量情形的PMNS混合矩阵新参数化形式，能够与当前中微子振荡实验数据一致拟合，包括更新后的$\theta_{12}$值。
• 通过轻子生成产生的重子不对称性对CP破坏相位高度敏感，在质量简并情况下最大不对称性出现在$\delta = 3\pi/4$。
• 在非简并情形下，最大不对称性出现在$\mu_{2a} - \mu_{3a} = \pi/2 + n\pi$时，且与中微子的绝对质量无关。
• 该模型可在右手中微子质量低至$10^6$ GeV时产生足够的重子不对称性，显著低于典型的 seesaw 能标。
• 非简并情形下，成功实现轻子生成的参数空间更广，尤其得益于相位依赖性增强与共振效应。
• 当$M_1 - M_3 \simeq \frac{1}{2}\Gamma_{N_{1,3}}$时观察到共振轻子生成，导致不对称性增强，并进一步降低所需质量尺度。