[论文解读] Neutrino mixing and Leptogenesis with modular $S_3$ symmetry in the framework of type III seesaw

Subhasmita Mishra|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 11

一句话总结

该论文在类型III seesaw机制中提出了一种模块化$S_3$对称性框架，以生成中微子质量与混合，同时减少对多个标量场的依赖。通过为 Yukawa 耦合分配模块权重，实现了现象学上可行的中微子混合角，并成功实现共振轻子生成机制，产生$")\mathcal{O}(10^{-10})$的轻子不对称性，与观测到的重子不对称性一致。

ABSTRACT

Discrete symmetries being preferred to explain the neutrino phenomenology, we chose the simplest $S_3$ group and explore the implication of its modular form on neutrino masses and mixing. Non-trivial transformations of Yukawa couplings under this symmetry, make the model phenomenologically interesting by reducing the requirement of multiple scalar fields. This symmetry imposes a specific flavor structure to the neutrino mass matrix within the framework of less frequented type III seesaw mechanism and helps to explore the neutrino mixing consistent with the current observation. Apart, we also explain the preferred scenario of leptogenesis to explain the baryon asymmetry of the universe by generating the lepton asymmetry from the decay of heavy fermion triplet at TeV scale.

研究动机与目标

• 为解决标准模型在解释中微子质量、轻子混合与重子不对称性方面的局限性。
• 通过使用 Yukawa 耦合的模形式而非多个希格斯双重态，减少$S_3$对称模型中标量场内容的复杂性。
• 探索较少被研究的类型III seesaw机制在模块化$S_3$对称性下的中微子混合模式可行性。
• 研究通过TeV尺度重费米子三重态衰变实现的共振轻子生成，以生成观测到的重子不对称性。

提出的方法

• 引入一个包含三个费米子三重态（$\Sigma_{1,2,3}$）、一个标量单重态（$\rho$）以及三圈左右手中微子的类型III seesaw模型，所有场均赋予$S_3$下的模块权重。
• 将 Yukawa 耦合$y_1(\tau), y_2(\tau)$设为$S_3$双重态，$y_3(\tau)$设为单重态，其模块权重分别为2和4，以此替代多个标量场。
• 利用依赖复模数$\tau$的 Yukawa 耦合的模形式构建 flavor 对称的中微子质量矩阵。
• 求解包含衰变、逆衰变与规范散射过程的三重态费米子与轻子数密度演化的玻尔兹曼方程。
• 评估来自$\Sigma$衰变的CP不对称性$\epsilon^{\Sigma}_{CP}$，并计算得到的轻子不对称性$Y_L \approx \mathcal{O}(10^{-10})$。
• 以观测到的重子不对称性$Y_B \approx \mathcal{O}(10^{-11})$为基准，通过中微子质量矩阵的数值对角化约束模型参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 模块化$S_3$对称性是否能减少基于$S_3$的中微子质量模型中所需的标量场数量？
• RQ2 在模块化$S_3$对称性下的类型III seesaw机制是否能产生与实验数据$3\sigma$范围一致的中微子混合模式？
• RQ3 通过$\Sigma$三重态衰变实现的共振轻子生成是否能产生量级为$\mathcal{O}(10^{-10})$的轻子不对称性？
• RQ4 规范相互作用与消去过程如何影响类型III seesaw框架中轻子数密度的演化？
• RQ5 哪些 Yukawa 耦合与$\tau$的参数范围可重现观测到的中微子质量与混合角？

主要发现

• 通过中微子质量矩阵的数值对角化，反应堆混合角$\theta_{13}$与狄拉克CP相位$\delta_{CP}$被约束在实验允许的$3\sigma$范围内。
• 该模型通过最轻费米子三重态的衰变实现了$\mathcal{O}(10^{-10})$的轻子不对称性，足以生成观测到的$\mathcal{O}(10^{-11})$重子不对称性。
• 三重态费米子的耦合强度约为$\mathcal{O}(10^{-7})$，确保$K_{\Sigma_i} \sim 1$，满足轻子生成所需的非平衡衰变条件。
• 规范散射与逆衰变过程显著影响密度演化的进程，如玻尔兹曼方程求解结果所示。
• 在$S_3$下Yukawa耦合的模形式消除了对多个标量场及其真空期望值对齐的需求，简化了模型结构。
• 该模型成功重现了当前实验约束下观测到的活性中微子质量之和与中微子混合参数。