[论文解读] Resolution to neutrino masses, baryon asymmetry in leptogenesis and cosmic-ray anomalies

Chuan-Hung Chen|ArXiv.org|May 21, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

该论文提出一个统一模型，通过引入两个 $Z_2$-对称的惰性中微子、两个希格斯双重态以及右手中微子，同时解释小中微子质量（通过类型-I和辐射型 seesaw 机制）、在 $O(1{-}10\,\text{TeV})$ 能量尺度下通过 $Z_2$ 对称性软性破缺的轻子生成机制产生重子不对称性，并通过长寿命、亲电子的暗物质衰变解释费米-LAT 和 PAMELA 宇宙射线异常，使用 $m_{N_2} = 2\,\text{TeV}$、$m_{N_1} = 0.2\,\text{TeV}$ 和 $\kappa = 0.65$ 可实现对数据的良好拟合。该模型通过相同的软性破缺项自然地实现长寿命暗物质和 CP 破坏。

ABSTRACT

By extending the lepton sector of standard model to include one sterile neutrino and two sets of new Higgs doublets and right-handed neutrinos, denoted by $(η_1, N_1, N_3)$ and $(η_2, N_2, N_4)$, with two $Z_2$ symmetries, the puzzles of neutrino masses, matter-antimatter asymmetry and cosmic-ray excess observed by Fermi-LAT and PAMELA can be resolved simultaneously. The characters of the model are: (a) neutrino masses arise from type-I and radiative seesaw mechanisms; (b) leptogenesis leading to baryon asymmetry at the energy scale of $O(1- 10 m TeV)$ could be realized through soft $Z_2$ symmetry breaking effects; and (c) the conditions of small couplings for a long-lived dark matter could be achieved naturally through loop corrections due to the same soft symmetry breaking effects. The candidate for dark matter in leptophilic decays could fit the Fermi-LAT and PAMELA data well.

研究动机与目标

• 在单一理论框架内同时解决小中微子质量、重子不对称性以及宇宙射线异常（费米-LAT 和 PAMELA）等未解之谜。
• 通过标准模型的最小扩展，在轻子 sector 中统一解释中微子质量、物质-反物质不对称性以及暗物质的起源。
• 通过来自软性 $Z_2$ 对称性破缺的圈修正，自然地实现长寿命暗物质候选者，避免对耦合常数或能量尺度进行微调。
• 在不依赖大增强因子或共振增强的前提下，拟合宇宙射线中观测到的 $e^+e^-$ 流量过剩。

提出的方法

• 引入两个 $Z_2$ 对称性，以保护长寿命暗物质候选者 ($N_2$) 并确保其衰变在动力学上被禁止。
• 通过在轻子 sector 中引入两个惰性中微子 ($N_1, N_3$) 和两个希格斯双重态 ($\eta_1, \eta_2$)，利用类型-I seesaw 和辐射型 seesaw 机制生成中微子质量。
• 引入软性 $Z_2$ 破缺项 ($\mu_{34} N_3^T C N_4 + \text{h.c.}$)，以生成 $N_2$ 衰变的小耦合以及轻子生成中的 CP 破坏。
• 利用相同的软性破缺效应，自然地实现小耦合，确保 $N_2$ 具有长寿命（$O(10^{26}\,\text{s})$），而无需微调。
• 使用参数化的能量谱 $G(E,E')$ 计算 $N_2$ 衰变产生的 $e^+e^-$ 流量，并与费米-LAT 和 PAMELA 数据进行比较。
• 通过 $N_3$ 介导的衰变计算轻子生成的产额，CP 不对称性来源于 $N_3$ 和 $N_4$ 参与的树图与单圈图之间的干涉。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一模型能否同时解释小中微子质量、通过轻子生成机制产生的重子不对称性，以及宇宙射线中的 $e^+e^-$ 流量过剩？
• RQ2 如何在不微调耦合常数或能量尺度的前提下，自然地实现长寿命暗物质候选者？
• RQ3 软性 $Z_2$ 破缺项在生成轻子生成所需的 CP 破坏以及暗物质衰变的小耦合中分别起什么作用？
• RQ4 该模型能否在不依赖增强因子或共振增强的前提下，拟合费米-LAT 和 PAMELA 关于正电子流量和 $e^+/(e^-+e^+)$ 比值的数据？

主要发现

• 该模型通过类型-I seesaw 和辐射型 seesaw 机制的结合实现小中微子质量，其中 $N$ 和 $N_3$ 参与质量矩阵的构建。
• 轻子生成发生在 $O(1{-}10\,\text{TeV})$ 能量尺度，通过 $N_3$ 衰变实现，CP 不对称性由软性 $Z_2$ 破缺效应产生。
• 长寿命暗物质候选者 $N_2$ 通过 $N_2 \to \ell^+ \ell^-$ 衰变，其寿命为 $O(10^{26}\,\text{s})$，通过软性破缺引起的圈抑制耦合自然实现。
• 当 $m_{N_2} = 2\,\text{TeV}$、$m_{N_1} = 0.2\,\text{TeV}$ 且 $\kappa = 0.65$ 时，该模型对费米-LAT 和 PAMELA 的 $e^+e^-$ 流量及正电子分数数据均具有良好的拟合效果。
• $e^+/(e^-+e^+)$ 比值在能量范围内被良好再现，尤其当 $c^2_{\alpha} = 1$（即主导 $N_2 \to e^+e^-$ 衰变）时，与观测结果一致。