[论文解读] Resonant leptogenesis and TM$_1$ mixing in minimal Type-I seesaw model with S$_4$ symmetry

Bikash Thapa, Ng. K. Francis|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2021

Neutrino Physics Research参考文献 69被引用 12

一句话总结

该论文提出了一种S4味对称的最小类型-I seesaw模型，可在TeV尺度实现TM1中微子混合与共振重子生成。通过引入一个味希子场ψ以满足正交性条件，该模型实现了正常的中微子质量顺序，并通过味修正的Boltzmann方程预测了重子不对称性|ηB| = 6.3 × 10⁻¹⁰，同时预测无中微子双贝塔衰变的有效马约拉纳质量为2.6–3.6 meV。

ABSTRACT

We present an S$_4$ flavour symmetric model within a minimal seesaw framework resulting in mass matrices that leads to TM$_1$ mixing. Minimal seesaw is realized by adding two right-handed neutrinos to the Standard Model. The model predicts Normal Hierarchy (NH) for neutrino masses. Using the constrained six-dimensional parameter space, we have evaluated the effective Majorana neutrino mass, which is the parameter of interest in neutrinoless double beta decay experiments. The possibility of explaining baryogenesis via resonant leptogenesis is also examined within the model. A non-zero, resonantly enhanced CP asymmetry generated from the decay of right-handed neutrinos at the TeV scale is studied, considering flavour effects. The evolution of lepton asymmetry is discussed by solving the set of Boltzmann equations numerically and obtain the value of baryon asymmetry to be $\lvert \eta_B vert = 6.3 imes 10^{-10}$.

研究动机与目标

• 构建一个具有S4味对称性的最小seesaw模型，实现在中微子 sector 中的TM1混合。
• 通过TeV尺度的共振重子生成解释宇宙中观测到的重子不对称性（BAU）。
• 预测无中微子双贝塔衰变（0νββ）的有效马约拉纳中微子质量，并评估其可探测性。
• 确保与3σ中微子振荡数据的一致性，包括非零θ13和CP相位。

提出的方法

• 在标准模型中扩展了两个右手中微子及变换于S4 × Z3 × Z2对称群下的味希子场（ϕl, φl, ϕν, φν, ψ, β, ρ）。
• 对味希子场施加真空期望值（vevs），以生成带电轻子和中微子质量矩阵，其中ψ的vev被选择以满足TM1混合的正交性条件。
• 通过seesaw公式mν = −mD m⁻¹R mᵀD推导出轻子中微子质量矩阵，从而得到TM1混合模式。
• 数值求解包含味效应和洗出过程的右手中微子与轻子数密度的耦合Boltzmann方程。
• 使用ULYSSES软件包从CP不对称性εiα和衰变速率计算重子不对称性ηB。
• 将有效马约拉纳质量|⟨mee⟩|评估为mν的(1,1)元素，并将其预测范围与实验灵敏度进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有S4对称性的最小seesaw模型能否实现在当前中微子振荡数据兼容下的TM1混合模式？
• RQ2 在TeV尺度的共振重子生成是否能产生与观测值|ηB| ≈ 6.3 × 10⁻¹⁰一致的重子不对称性？
• RQ3 该模型中无中微子双贝塔衰变的有效马约拉纳中微子质量|⟨mee⟩|的预测范围是什么？
• RQ4 味效应以及通过高维项实现的非简并右手中微子质量如何影响CP不对称性和重子生成？

主要发现

• 该模型预测了正常的中微子质量顺序，总中微子质量和在0.0576 eV < Σmi < 0.0599 eV范围内。
• 有效马约拉纳中微子质量|⟨mee⟩|被预测在2.6 meV至3.6 meV之间，低于当前及未来近似0νββ实验的探测灵敏度。
• 通过分裂参数d ≈ 10⁻⁸的共振重子生成，从TeV尺度右手中微子的非平衡衰变中产生非零且共振增强的CP不对称性。
• Boltzmann方程的数值解给出重子不对称性|ηB| = 6.3 × 10⁻¹⁰，与观测值一致。
• 该模型成功容纳了中微子振荡参数的3σ范围，包括θ13 ≠ 0和δCP ≈ 1.09π。
• 正交性条件⟨ψ⟩·⟨φl⟩ = 0和⟨ψ⟩·⟨φν⟩ = 0对于通过TBM矩阵的23-旋转实现TM1混合模式至关重要。