[论文解读] Neutrino Oscillations without Neutrino Masses or Heavy Mass Scales: A Higher-Dimensional Seesaw Mechanism

Keith R. Dienes, Emilian Dudaş+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 1998

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 35

一句话总结

该论文提出了一种高维跷跷板机制，可在不引入重质量尺度或非零中微子质量的情况下生成轻子中微子质量。通过允许右手中微子在额外维度中传播，该模型利用规范耦合跑动实现左手性中微子质量的幂律抑制，并可通过Kaluza-Klein态质量解释中微子振荡，从而以紧化半径取代跷跷板尺度。

ABSTRACT

Recent theoretical developments have shown that extra spacetime dimensions can lower the fundamental GUT, Planck, and string scales. However, recent evidence for neutrino oscillations suggests the existence of light non-zero neutrino masses, which in turn suggests the need for a heavy mass scale via the seesaw mechanism. In this paper, we make several observations in this regard. First, we point out that allowing the right-handed neutrino to experience extra spacetime dimensions naturally permits the left-handed neutrino mass to be power-law suppressed relative to the masses of the other fermions. This occurs due to the power-law running of the neutrino Yukawa couplings, and therefore does not require a heavy scale for the right-handed neutrino. Second, we show that a higher-dimensional analogue of the seesaw mechanism may also be capable of generating naturally light neutrino masses without the introduction of a heavy mass scale. Third, we show that such a higher-dimensional seesaw mechanism may even be able to explain neutrino oscillations without neutrino masses, with oscillations induced indirectly via the masses of the Kaluza-Klein states. Fourth, we point out that even when higher-dimensional right-handed neutrinos are given a bare Majorana mass, the higher-dimensional seesaw mechanism surprisingly replaces this mass scale with the radius scale of the extra dimensions. Finally, we also discuss a possible new mechanism for inducing lepton-number violation by shifting the positions of D-branes in Type I string theory.

研究动机与目标

• 解决在额外维度模型中，低能中微子振荡与需要重跷跷板尺度之间的矛盾。
• 探讨是否可通过额外维度的几何结构自然地实现中微子质量的轻量级，而无需引入高能标。
• 研究是否可通过Kaluza-Klein激发态实现中微子振荡，即使在非零中微子质量不存在的情况下。
• 确定当右手中微子在额外维度中局域化并具有裸Majorana质量时，跷跷板机制如何被修改。
• 在I型弦理论中，通过D膜位置移动提出一种新的轻子数破坏机制。

提出的方法

• 引入在额外时空维度中传播的右手中微子，而左手性中微子则被限制在3+1维膜上。
• 利用高维中中微子Yukawa耦合的幂律跑动，抑制有效左手性中微子质量相对于其他费米子质量的大小。
• 构建一种高维跷跷板机制，其中跷跷板尺度由额外维度的紧化半径取代。
• 分析右手中微子的Kaluza-Klein谱，表明即使在轻子中微子质量为零的情况下，这些KK态的质量也能诱导振荡。
• 研究在高维设置中为右手中微子引入裸Majorana质量的情况，表明该质量尺度被有效替换为额外维度的倒数半径。
• 探索I型弦理论中D膜位移导致轻子数破坏的可能性，将膜动力学与中微子现象学联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高维模型中，是否可以在不引入重跷跷板尺度的情况下生成轻子中微子质量？
• RQ2 当非零中微子质量不存在时，是否可通过Kaluza-Klein态混合实现中微子振荡？
• RQ3 当右手中微子被允许在额外维度中传播时，跷跷板机制会发生怎样的变化？
• RQ4 在高维设置中，什么有效尺度取代了重跷跷板质量？
• RQ5 在I型弦理论中，D膜位置的位移是否可导致轻子数破坏并生成中微子质量？

主要发现

• 由于额外维度中Yukawa耦合的跑动，有效左手性中微子质量相对于其他费米子质量被幂律抑制，从而消除了对重能标的需求。
• 一种高维跷跷板机制可在不引入大质量尺度的情况下生成轻子中微子质量，而以紧化半径的倒数取代该尺度。
• 即使轻子中微子质量为零，Kaluza-Klein态的质量也能诱导中微子振荡，提供了一种无需非零中微子质量的振荡机制。
• 当为右手中微子引入裸Majorana质量时，跷跷板机制将该质量尺度替换为额外维度的倒数半径。
• 提出了一种通过I型弦理论中D膜位移导致轻子数破坏的新机制，将膜动力学与中微子现象学联系起来。
• 该模型提供了一个一致的框架，使跷跷板机制在高维中自然运作，其中紧化尺度充当了跷跷板尺度的角色。