[论文解读] Neutrino Models and Leptogenesis

Sandy S. C. Law|ArXiv.org|Jan 9, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 9

一句话总结

本论文在类型 I seesaw 框架下研究中微子模型，探讨其对热重子生成的含义，提出新颖机制如电磁偶极矩介导的重子生成，以及通过低能可观测量对重中微子质量矩阵进行对称性保护的确定。关键结果表明，在对称性约束下，成功的重子生成依然可行，且电磁偶极矩相互作用可在非层级情形下生成所需的轻子不对称性。

ABSTRACT

Neutrino properties can play a crucial role in determining the matter-antimatter asymmetry of the universe if thermal leptogenesis is the correct solution to the baryogenesis problem. Owing to this, the study of neutrino models goes beyond the mere purpose of generating tiny neutrino masses, and it is natural to incorporate the puzzle of the cosmic baryon asymmetry. To this end, we have investigated several different extensions of the neutrino model based on the type I seesaw mechanism with particular emphasis on their leptogenesis implications.

研究动机与目标

• 研究阿贝尔家族对称性和额外希格斯单重态如何约束类型 I seesaw 模型中的重子生成。
• 确定重右手中微子质量矩阵是否可通过对称性保护关系，完全由低能中微观参数确定。
• 探索一种由电磁偶极矩（EMDM）相互作用介导的新重子生成机制的可行性，而非标准的 Yukawa 耦合。
• 评估在对称性施加的约束下，TeV 能标右手中微子在对撞机中的可探测性。
• 研究味效应和质量层级在电磁重子生成中的作用，特别是在非标准情形下。

提出的方法

• 构建具有阿贝尔家族对称性和一个实希格斯单重态的受约束中微子模型，以减少自由参数，同时保持重子生成的可行性。
• 同时使用味内和味间对称性，将中微子狄拉克质量矩阵与带电轻子或夸克质量矩阵关联，从而实现混合矩阵的完全预测。
• 利用低能可观测量，推导出重中微子质量矩阵为 $ M_R \simeq \widehat{m}_f U_{\text{PMNS}}^* \widehat{m}_\nu^{-1} U_{\text{PMNS}}^\dagger \widehat{m}_f $，其中 $ f = e, d, u $。
• 对 $ N \to \nu \gamma $ 衰变进行显式的一圈和树图振幅计算，以评估 EMDM 相互作用引起的 $ CP $ 不对称性。
• 将简化模型推广至与 SM 规范群相容，确保最终态为三体过程，同时保持 $ CP $ 破坏。
• 分析相空间抑制效应及其在电磁重子生成中通过适当质量层级选择的缓解方式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有阿贝尔家族对称性和额外希格斯单重态的 seesaw 模型中，尽管自由参数减少，重子生成是否仍能保持可行？
• RQ2 通过对称性约束，中微子扇区在多大程度上可被低能中微观参数完全确定？
• RQ3 是否可能通过 CP 破坏的右手中微子衰变，由电磁偶极矩算符介导，生成轻子不对称性？
• RQ4 右手中微子的质量层级如何影响电磁重子生成的成功性，相较于标准 Yukawa 介导的重子生成？
• RQ5 当右手中微子质量受对称性和低能数据约束时，其在对撞机现象学中的前景如何？

主要发现

• 具有阿贝尔家族对称性和一个额外希格斯单重态的模型即使在考虑味效应的情况下，仍能保持成功的重子生成，且在右手中微子层级质量情景下保持可行性。
• 当狄拉克质量矩阵通过对称性与上夸克或带电轻子质量矩阵关联时，重右手中微子质量矩阵可完全由低能可观测量——中微子质量、混合角和 $ CP $ 相位——确定。
• 在对称性约束下实现成功重子生成，仅可能出现在参数空间的高度微调区域，具体而言，当狄拉克质量矩阵与上夸克质量矩阵匹配（$ f = u $）且选择特定的狄拉克和马约拉纳相位组合时。
• 尽管当 $ f = e $ 时 TeV 能标右手中微子在理论上是可能的，但其产生截面过小，无法在 LHC 或 ILC 中探测，限制了对撞机的探测能力。
• 通过 EMDM 相互作用的电磁重子生成可成功生成所需的轻子不对称性，其中 $ CP $ 不对称性源于树图与一圈振幅之间的干涉。
• 电磁重子生成情景不支持标准的强层级质量谱，但在温和层级或近简并情景下表现良好，此时共振效应可增强不对称性。