[论文解读] Radiative Corrections to Light Neutrino Masses in Low Scale Type I Seesaw Scenarios and Neutrinoless Double Beta Decay

J. López-Pavón, Emiliano Molinaro+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2015

Neutrino Physics Research被引用 6

一句话总结

本文研究了低尺度类型 I seesaw 模型中轻子中微子质量的辐射修正及其对无中微子双贝塔衰变（0νββ）的影响。结果表明，只有通过树图与单圈图贡献之间的微调抵消，重Majorana中微子才能对有效Majorana质量产生显著贡献，量化了所需的微调程度，并提出了一种包含单圈效应的广义Casas-Ibarra参数化方法。

ABSTRACT

We perform a detailed analysis of the one-loop corrections to the light neutrino mass matrix within low scale type I seesaw extensions of the Standard Model and their implications in experimental searches for neutrinoless double beta decay. We show that a sizable contribution to the effective Majorana neutrino mass from the exchange of heavy Majorana neutrinos is always possible, provided one requires a fine-tuned cancellation between the tree-level and one-loop contribution to the light neutrino masses. We quantify the level of fine-tuning as a function of the seesaw parameters and introduce a generalisation of the Casas-Ibarra parametrization of the neutrino Yukawa matrix, which easily allows to include the one-loop corrections to the light neutrino masses.

研究动机与目标

• 确定在何种条件下，低尺度类型 I seesaw 情景中的重Majorana中微子能够对无中微子双贝塔衰变中的有效Majorana中微子质量产生显著贡献。
• 量化在包含单圈修正时，为实现重中微子对 0νββ 衰变速率的显著贡献，所需达到的微调程度。
• 将Casas-Ibarra参数化推广，以包含对轻中微子质量矩阵的单圈修正。
• 分析完整的参数空间，包括来自直接探测、带电轻子味破坏以及PMNS矩阵非幺正性的约束。
• 明确哪些seesaw实现方式能够产生可观测的 0νββ 衰变速率所必需的大活性-惰性中微子混合。

提出的方法

• 通过重右手中微子基的幺正变换，推导出类型 I seesaw 框架中轻中微子质量矩阵的单圈修正。
• 通过将轻中微子质量矩阵表示为狄拉克质量矩阵与变换后的重Majorana质量矩阵的函数，提出一种包含单圈效应的改进Casas-Ibarra参数化。
• 使用圈函数 F(x) 计算Majorana质量矩阵的单圈贡献，通过级数展开和闭式简化，推导出对数项的显式解析表达式。
• 对完整参数空间进行数值分析，包括来自宇宙学、直接探测和轻子味破坏的约束，以评估大重中微子贡献的可行区域。
• 通过树图贡献与单圈图贡献的比值量化微调程度，将微调度量定义为seesaw参数的函数。
• 分析扩展seesaw和逆seesaw极限，推导特定情景下单圈修正的解析表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，质量高于 1 GeV 的重Majorana中微子能够对无中微子双贝塔衰变中的有效Majorana中微子质量产生显著贡献？
• RQ2 活性-惰性中微子混合需达到多大，才能使重Majorana中微子对 0νββ 衰变速率产生显著贡献？
• RQ3 在包含单圈修正时，为实现重中微子对 0νββ 衰变速率的主导贡献，所需微调程度如何？
• RQ4 广义Casas-Ibarra参数化能否准确描述低尺度seesaw模型中树图与单圈图贡献之间的相互作用？
• RQ5 来自直接探测、带电轻子味破坏以及非幺正性的约束如何影响大重中微子贡献对 0νββ 衰变的可行性？

主要发现

• 只有通过树图与单圈图对轻中微子质量矩阵的贡献之间微调抵消，重Majorana中微子才能对有效Majorana中微子质量产生显著贡献。
• 对于质量高于几 GeV 的重中微子，需要极大的活性-惰性中微子混合，才能对 0νββ 衰变速率产生显著贡献。
• 为实现重中微子主导贡献，所需微调程度随中微子质量增加而显著上升，尤其在 10 GeV 以上时更为明显。
• 广义Casas-Ibarra参数化成功地将单圈修正纳入框架，实现了对seesaw动力学完全控制的参数空间系统性研究。
• 在扩展seesaw极限下，利用推导出的圈函数对数形式，可对轻中微子质量矩阵的单圈修正进行解析表达。
• 在逆seesaw极限下，单圈贡献同样具有闭式表达，证实了该方法在不同seesaw实现中的稳健性。