[论文解读] Selected Topics in Majorana Neutrino Physics

Luciano Maiani|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 46被引用 6

一句话总结

本文综述了马约拉纳中微子物理，重点讨论了中微子质量生成的见及机制及其对无中微子双贝塔衰变的启示。文章提出一种新方法，即通过规范O(3)下的重轻子不变性导致大中微子混合角，从而产生近乎简并的中微子质量——这挑战了夸克-轻子类比，并表明无中微子双贝塔衰变可能在实验上可探测。

ABSTRACT

Starting from the original Majorana's article of 1937, the see-saw mechanism is illustrated, first for one and later for three neutrino generations, and neutrinoless double beta decay is considered. Neutrino mixing and oscillations in three flavors are described. The Yukawa couplings to the Higgs field of quarks and leptons are considered, their transformation properties under the corresponding flavor groups are spelled out and the principle of Minimal Flavor Violation is illustrated, in connection with possible new physics beyond the Standard Theory. The idea that the Yukawa couplings may be the vacuum expectation value of some new fields is introduced and natural extrema of potentials which are invariant under quark and lepton flavor groups are characterized. A recent result indicating large mixing of almost degenerate neutrinos is derived from the heavy lepton invariance under flavor ${\cal O}(3)$.

研究动机与目标

• 通过见及机制解释小中微子质量的起源，从一代扩展到三代。
• 分析大中微子混合角对味物理的影响，与夸克的小混合角形成对比。
• 提出一种基于味群O(3)不变性的新机制，以解释大混合，导致近乎简并的中微子质量。
• 探讨汤川耦合是否可视为新标量场的真空期望值，从而在味对称势能中产生自然极小值。

提出的方法

• 使用马约拉纳原始的1937年形式推导见及机制，展示右手中微子如何通过其大质量生成轻中微子的小质量。
• 将见及机制应用于三代中微子，结合PMNS混合矩阵及近期实验测得的混合角数值。
• 引入汤川耦合可视为动力学标量场的真空期望值，其值决定费米子质量的概念。
• 利用轻子在O(3)味群下的不变性，推导标量势能的自然极小值，从而导致近乎简并的中微子质量。
• 证明大混合角源于正交味对称结构，而非源于小的混合参数。
• 通过场重定义对角化质量矩阵，表明味破坏项可通过幺正变换消除。

实验结果

研究问题

• RQ1 在马约拉纳费米子的框架下，见及机制如何生成小中微子质量？
• RQ2 为何中微子表现出大混合角，而夸克则不然？何种对称性原理可解释这一现象？
• RQ3 能否通过正交群O(3)的不变性而非酉群，解释中微子中观察到的大混合？
• RQ4 将汤川耦合视为新标量场的真空期望值，对味物理有何影响？
• RQ5 味对称势能中的自然极小值如何导致近乎简并的中微子质量？

主要发现

• 见及机制通过引入大质量右手中微子，成功解释了轻中微子的小质量。
• 若中微子近乎简并，则无中微子双贝塔衰变有望在当前及未来实验中探测到。
• 大中微子混合角可自然地由正交味群O(3)的不变性解释，而非酉群。
• 轻子的汤川耦合可解释为新标量场的真空期望值，从而在费米子质量中产生自然层次。
• O(3)不变标量势能的自然极小值倾向于产生近乎简并的中微子质量，与近期中微子振荡数据的全局拟合结果一致。
• 该模型预测中微子与夸克-轻子统一性出现显著偏离，表现为中微子的大混合与近乎简并的质量，与夸克体系中层级分明、弱混合的特性形成鲜明对比。