[论文解读] Phenomenology of Majorons

Julian Heeck|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用 4

一句话总结

本文提出将大质量单态马约拉纳玻色子作为可行的暗物质候选者，其单能级中微子衰变可在MeV以上能量下被探测，利用轻子味破坏耦合至带电轻子及通过圈图诱导的光子耦合。关键贡献在于将马约拉纳玻色子现象学与 seesaw 参数 $ m_D m_D^\tau $ 直接关联，而这些参数仅靠中微子振荡测量无法获取。

ABSTRACT

Majorons are the Goldstone bosons associated to lepton number and thus closely connected to Majorana neutrino masses. Couplings to charged fermions arise at one-loop level, including lepton-flavor-violating ones that lead to decays $\ell o \ell' J$, whereas a coupling to photons is generated at two loops. The typically small couplings make massive majorons a prime candidate for long-lived dark matter. Its signature decay into two mono-energetic neutrinos is potentially detectable for majoron masses above MeV.

研究动机与目标

• 探索大质量单态马约拉纳玻色子作为具有可探测衰变信号的暗物质候选者的现象学。
• 将马约拉纳玻色子耦合与 seesaw 参数 $ m_D m_D^\tau $ 联系起来，这些参数无法通过中微子振荡测量获得。
• 研究 $ \ell \to \ell' J $ 衰变中的轻子味破坏，作为探测 seesaw 机制的手段。
• 评估利用 Borexino 和 Super-K 等中微子探测器探测马约拉纳玻色子衰变为单能级中微子的可探测性。
• 评估可见衰变道的约束及其与中微子线搜索的互补性。

提出的方法

• 从具有复标量单重态的 $ U(1)_{B-L} $ 破缺 seesaw 模型中推导出树图级和一阶圈图级马约拉纳玻色子对中微子和带电费米子的耦合。
• 使用无量纲矩阵 $ K \equiv m_D m_D^\dagger / (v f) $ 参数化对带电轻子和夸克的一阶圈图耦合。
• 利用规范不变的图子集和圈函数，计算两圈图光子耦合 $ \Gamma(J \to \gamma\gamma) $。
• 在早期宇宙中应用冻结生成机制来研究马约拉纳玻色子暗物质，重点关注质量高于 MeV 的情况。
• 利用 Borexino 和 KamLAND 中的逆贝塔衰变，以及 Super-K 中的 $ \nu_\mu $ 探测，评估 $ J \to \nu_j \nu_j $ 衰变的可探测性。
• 利用当前和未来的实验（如 Mu3e 和 Belle）评估来自轻子味破坏衰变 $ \ell \to \ell' J $ 的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 大质量单态马约拉纳玻色子能否作为寿命较长的暗物质候选者，其衰变信号可探测为单能级中微子？
• RQ2 马约拉纳玻色子对带电费米子的耦合如何与 seesaw 参数 $ m_D m_D^\dagger $ 相关？这些参数能否在不依赖中微子质量的情况下被独立探测？
• RQ3 来自轻子味破坏衰变 $ \ell \to \ell' J $ 的 $ K_{\ell\ell'} $ 存在哪些约束？与现有和未来的实验限制相比如何？
• RQ4 中微子探测器能否观测到马约拉纳玻色子衰变产生的单能级中微子线？其在马约拉纳玻色子质量上的灵敏度阈值是多少？
• RQ5 可见衰变道 $ J \to \ell\bar{\ell}, q\bar{q}, \gamma\gamma $ 与 $ J \to \nu\nu $ 在探测 seesaw 参数方面是否具有互补性？

主要发现

• 一阶圈图级马约拉纳玻色子对带电费米子的耦合完全由 seesaw 参数矩阵 $ K = m_D m_D^\dagger / (v f) $ 决定，该矩阵与中微子质量无关。
• 轻子味破坏在 $ \ell \to \ell' J $ 衰变中通过非对角元素 $ K_{\ell\ell'} $ 诱导，当前限制为 $ |K_{\mu e}| \lesssim 10^{-5} $ 和 $ |K_{\tau\ell}| \lesssim \mathcal{O}(10^{-3}) $。
• 衰变 $ J \to \nu_j \nu_j $ 是主导的树图级通道，产生单能级中微子通量，其味组成取决于中微子质量顺序：反常顺序下约 50% 为电子味，正常顺序下电子成分较小。
• 中微子探测器如 Borexino 和 KamLAND 可探测质量高于 MeV 的 $ J \to \nu\nu $ 衰变，对由暗物质诱导的中微子线信号具有灵敏度。
• 对于 $ m_J \sim \text{MeV} $ 至 $ 100\,\text{GeV} $ 的质量范围，可见衰变道如 $ J \to \gamma\gamma $ 和 $ J \to \ell\bar{\ell} $ 提供了对 $ K $ 的互补约束，且独立于 $ J \to \nu\nu $。
• 对于亚 MeV 质量的马约拉纳玻色子，由于 $ J \to \nu\nu $ 的不可见性，$ J \to \gamma\gamma $ 仍是最具前景的间接探测通道。