[论文解读] New type of double seesaw with MeV sterile neutrinos and low scale leptogenesis

Sin Kyu Kang, C. S. Kim|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本文提出一种新的双 seesaw 机制，其中包含 MeV 能量尺度的惰性中微子，可在不需重 Majorana 中微子之间极小质量劈裂的情况下实现低尺度轻子生成，从而避免了超对称理论中的 gravitino 问题。引入一个额外的单态费米子，产生新的贡献，使轻子不对称性在可行参数范围内增强，同时在不违反活性-惰性中微子混合约束的前提下，实现了接近 100–300 MeV 的轻主动中微子质量和惰性中微子质量。

ABSTRACT

We consider a variant of seesaw mechanism by introducing extra singlet neutrinos, with which we show how the low scale leptogenesis is realized without imposing the tiny mass splitting between two heavy Majorana neutrinos required in the resonant leptogenesis. Thus, we can avoid the so-called gravitino problem when our scenario is supersymmetrized. We show that an introduction of the new singlet fermion leads to a new contribution which can enhance the lepton asymmetry for certain range of parameter space. We also examine how both the light neutrino mass spectrum and relatively light sterile neutrinos of order a few 100 MeV can be achieved without being in conflict with the constraints on the mixing between the active and sterile neutrinos.

研究动机与目标

• 通过避免在共振轻子生成中对重 Majorana 中微子之间极小质量劈裂的需求，解决超对称模型中的 gravitino 问题。
• 在引入额外单态费米子和 MeV 能量尺度惰性中微子的 seesaw 框架下，实现低尺度轻子生成。
• 在不违反活性-惰性混合约束的前提下，同时实现可行的轻中微子质量谱和相对较轻的惰性中微子（约 100–300 MeV）。
• 识别由新增单态费米子带来的轻子不对称性新贡献，该贡献在特定参数范围内可显著增强重子生成效率。

提出的方法

• 在标准 seesaw 框架中引入一个额外的单态费米子，将 seesaw 机制修改为双 seesaw 结构。
• 构建包含新单态费米子及其与活性中微子和惰性中微子耦合的拉格朗日量，从而实现对轻子不对称性的新贡献。
• 分析包含活性和惰性态的中微子质量矩阵，推导出相应的轻中微子质量和惰性中微子质量。
• 利用单态费米子带来的新贡献计算轻子不对称性，识别出增强效应显著的参数区域。
• 应用活性-惰性混合的约束条件，确保与宇宙学和天体物理学观测的一致性。
• 进行参数空间扫描，识别出轻中微子质量、惰性中微子质量（约 100–300 MeV）和增强的不对称性同时成立的可行区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不需重 Majorana 中微子之间极小质量劈裂的情况下实现低尺度轻子生成，从而避免超对称理论中的 gravitino 问题？
• RQ2 引入额外单态费米子后，如何改变 seesaw 框架中轻子不对称性的生成机制？
• RQ3 新增单态费米子在增强轻子不对称性中起什么作用？该增强效应在何种参数范围内显著？
• RQ4 是否可以同时实现轻主动中微子质量与约 100–300 MeV 的惰性中微子质量，而不违反活性-惰性混合约束？
• RQ5 在何种参数区域中，新 seesaw 机制能实现成功的轻子生成并保持一致的中微子质量？

主要发现

• 引入新单态费米子后，产生一种新贡献，使轻子不对称性在特定参数空间范围内显著增强，从而实现低能标下的高效轻子生成。
• 该模型在不依赖通常在共振轻子生成中所需的重 Majorana 中微子之间极小质量劈裂的情况下，成功实现了低尺度轻子生成。
• 通过修改后的 seesaw 机制，成功生成了与观测中微子振荡数据一致的轻中微子质量谱。
• 只要混合角保持在观测限值内，质量约为 100–300 MeV 的惰性中微子即可实现，且不违反活性-惰性混合约束。
• 在超对称化时，该模型避免了 gravitino 问题，因为不再需要对质量劈裂进行微调。
• 存在一个可行的参数空间，使得成功轻子生成与一致的中微子质量可同时实现，其中新增单态费米子在不对称性增强中起到关键作用。