[论文解读] Neutrinoless double beta decay and pseudo-Dirac neutrino mass predictions through inverse seesaw mechanism

Ram Lal Awasthi, M. K. Parida+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2013

Neutrino Physics Research被引用 9

一句话总结

该论文提出，在逆跷跷板机制中，质量为120–500 MeV的最轻伪狄拉克中微子可通过虚交换主导无中微子双贝塔衰变（0νββ），当其质量接近中微子虚动量（约190 MeV）时，贡献被显著增强。若狄拉克中微子质量矩阵具有夸克-轻子对称性，则该模型还预测了当前实验可探测的轻子味破坏衰变。

ABSTRACT

In the inverse seesaw extension of the standard model, supersymmetric or non-supersymmetric, while the light left-handed neutrinos are Majorana, the heavy right-handed neutrinos are pseudo-Dirac fermions. We show how one of these latter category of particles can contribute quite significantly to neutrinoless double beta decay. The neutrino virtuality momentum is found to play a crucial role in the non-standard contributions leading to the prediction of the pseudo-Dirac fermion mass in the range of $120\, {MeV}-500\, {MeV}$. When the Dirac neutrino mass matrix in the inverse seesaw formula is similar to the up-quark mass matrix, characteristic of high scale quark-lepton symmetric origin, the predicted branching ratios for lepton flavor violating decays are also found to be closer to the accessible range of ongoing experiments.

研究动机与目标

• 探索在逆跷跷板框架下，由伪狄拉克右手中微子引起的无中微子双贝塔衰变（0νββ）的非标准贡献。
• 确定最轻伪狄拉克中微子的质量范围，使其能显著增强0νββ衰变速率，超越标准轻马约拉纳中微子交换的贡献。
• 研究狄拉克中微子质量矩阵结构与可观测轻子味破坏（LFV）衰变之间的关联。
• 评估该模型与规范耦合统一性以及高能标对称性（如Pati-Salam或SO(10)大统一）的一致性。
• 通过0νββ衰变、伪狄拉克中微子质量测量和LFV衰变分支比，识别可证伪的预测以供实验验证。

提出的方法

• 将逆跷跷板机制扩展至每代包含三个右手中微子和三个惰性费米子，形成一个9×9的中微子质量矩阵，包含狄拉克质量块（MD）、重狄拉克质量块（M）和惰性质量项块（μS）。
• 在μS, MD ≪ M的假设下，通过分块对角化推导出轻中微子质量矩阵，得到逆跷跷板公式：mν ≈ (MD/M) μS (MD/M)†。
• 重希格斯扇区形成质量分裂由μS决定的伪狄拉克对，分析最轻伪狄拉克态通过虚交换对0νββ衰变的贡献。
• 计算有效0νββ矩阵元|Mee|作为最轻伪狄拉克中微子质量Mζ1的函数，在|p| ≈ 190 MeV附近出现共振增强。
• 利用相同的质量矩阵计算轻子味破坏衰变分支比（μ→e+γ, τ→e+γ, τ→μ+γ），并与当前及未来实验限制进行比较。
• 在狄拉克中微子质量矩阵具有夸克-轻子对称性的假设下测试该模型（受Pati-Salam或SO(10)统一启发），该对称性同时影响0νββ与LFV的预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在逆跷跷板模型中，最轻伪狄拉克中微子是否能对无中微子双贝塔衰变产生主导贡献？
• RQ2 最轻伪狄拉克中微子的最优质量范围是什么，以最大化0νββ衰变的非标准贡献？
• RQ3 中微子虚动量（~190 MeV）如何影响0νββ衰变速率的增强？
• RQ4 预测的轻子味破坏衰变分支比（μ→e+γ, τ→e+γ, τ→μ+γ）在多大程度上处于当前及未来实验的探测灵敏度范围内？
• RQ5 狄拉克中微子质量矩阵的夸克-轻子对称起源如何影响0νββ与LFV预测之间的相互作用？

主要发现

• 最轻伪狄拉克中微子质量被预测位于120–500 MeV范围内，0νββ衰变增强最强的位置出现在约190 MeV，与中微子虚动量一致。
• 对于正常质量顺序（NH）中微子质量，当最轻伪狄拉克质量为169 MeV且η = |η|max/5时，有效0νββ矩阵元|Mee|增加约30倍。
• μ→e+γ的预测分支比为3.6×10⁻¹³，远低于当前实验极限（1.2×10⁻¹¹），但处于未来实验灵敏度（10⁻¹⁹）范围内。
• τ→μ+γ的预测分支比为3.3×10⁻¹²，低于当前限制（4.4×10⁻⁸），但可被灵敏度达10⁻⁹的未来实验探测。
• 当最轻伪狄拉克中微子质量设为190 MeV时，|Mee|表现出明显的共振增强，有效质量预测的峰值如图5所示。
• 该框架在MSSM-GUT尺度（MU ≈ 2×10¹⁶ GeV）下与规范耦合统一一致，支持其在超对称标准模型扩展中的可行性。