[论文解读] Probing the Origin of Neutrino Mass: from GUT to LHC

Goran Senjanović|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用 4

一句话总结

本文通过大统一理论（GUTs）和对撞机物理研究中微子质量的起源，提出最小超对称SO(10)和SU(5) GUTs可自然解释大尺度大气混合角及θ₁₃ ≈ 10°，而大型强子对撞机（LHC）中TeV尺度的左右对称性可能通过W_R和ν_R信号直接探测Majorana中微子质量，W_R的潜在发现范围可达5.5 TeV，ν_R的发现范围为100–1000 GeV。

ABSTRACT

Ever since the Majorana classic work, the nature of neutrino has been one of the central questions of the weak interaction physics. If neutrino is its own antiparticle, the immediate consequence is lepton number violation through the neutrinoless double beta decay. However, colliders such as the LHC offer a hope of seeing directly the same phenomenon, and moreover the Majorana nature of new particles needed to complete the Standard Model. I review here the salient features of these phenomena, and then turn to grand unification as a way of probing the scale of the relevant new physics. The minimal supersymmetric SO(10) theory basically eliminates the LHC physics, but leads naturally to the large atmospheric mixing angle and furthermore predicts $θ_{13} \simeq 10^\circ$ without any additional symmetries, in agreement with new T2K and MINOS data. It also assures that the R-parity is exact and thus leads to the stable LSP as a natural Dark Matter candidate. The minimal realistic SU(5) theory, on the other hand, predicts the light fermion triplet, below TeV, as a source of neutrino Majorana mass.

研究动机与目标

• 通过大统一理论和对撞机物理理解极小中微子质量的起源。
• 检验T2K/MINOS实验观测到的大气混合角较大及θ₁₃ ≈ 10°是否可由无需人为引入的味对称性的最小GUTs自然解释。
• 探索在LHC中通过W_R和右手中微子信号直接探测轻子数破坏及新粒子Majorana性质的可行性。
• 评估在最小超对称SO(10) GUT中R-宇称守恒与暗物质稳定性的角色。
• 确定SU(5) GUT中的TeV尺度费米子三重态是否可在LHC中被发现，并用于探测中微子质量矩阵。

提出的方法

• 通过右手中微子（Type I）、弱希格斯三重态（Type II）和费米子三重态（Type III）的 seesaw 机制生成小中微子质量。
• 在包含Higgs多重态10_H、126_H和210_H的最小超对称SO(10) GUT中，推导中微子混合角和质量的预测。
• 分析具有W_R和ν_R规范玻色子的左右对称模型，预测LHC中相同电荷 dilepton + jets 信号。
• 评估TeV尺度费米子三重态T在pp碰撞中通过Drell-Yan过程的产生与衰变：pp → T⁺T⁰, T⁺T⁻。
• 使用中微子质量矩阵表达式 m_ν = v²(Y_T²/m_T + Y_S²/m_S) 将三重态耦合与中微子质量关联。
• 进行对撞机现象学分析，估算在14 TeV LHC下，积分亮度分别为30和300 fb⁻¹时，W_R和ν_R的发现范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 最小超对称SO(10) GUT是否可在无需额外味对称性的情况下自然解释大尺度大气混合角及θ₁₃ ≈ 10°？
• RQ2 在左右对称模型中，LHC对W_R和右手中微子的发现潜力如何？
• RQ3 最小SU(5) GUT中的TeV尺度费米子三重态是否可在LHC中被发现？其衰变过程如何探测中微子质量矩阵？
• RQ4 最小SO(10) GUT中的R-宇称结构如何在无需人为对称性的情况下导致稳定LSP作为暗物质候选？
• RQ5 LHC中相同电荷 dilepton信号在多大程度上可区分不同 seesaw 机制并探测轻子数破坏？

主要发现

• 最小超对称SO(10) GUT预测θ₁₃ ≈ 10°，与T2K和MINOS实验数据高度一致，且无需引入额外味对称性。
• 该模型由于Pati-Salam夸克-轻子对称性自发破缺，自然产生大尺度大气混合角和小夸克混合角。
• 最小超对称SO(10) GUT确保精确R-宇称，从而产生稳定的LSP，是自然的暗物质候选者。
• LHC可在30 fb⁻¹下探测到高达4 TeV的W_R玻色子，300 fb⁻¹下可达5.5 TeV；ν_R质量范围为100–1000 GeV。
• 最小SU(5) GUT中的费米子三重态预测质量低于TeV，LHC的发现范围可达450 GeV（10 fb⁻¹）和700 GeV（100 fb⁻¹）。
• TeV尺度三重态T⁺T⁰ → lᵢ⁺lⱼ⁺ + 4 jets的衰变过程可通过其耦合y_Tⁱ直接探测中微子质量矩阵。