[论文解读] Singlet Fermion Assisted Dominant Seesaw with Lepton Flavor and Number Violations and Leptogenesis

M. K. Parida, Bidyut Prava Nayak|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 112被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种在左右对称及SO(10)大统一理论中全新的跷跷板机制，其中规范单重态费米子抑制了类型-I跷跷板贡献，导致主导的扩展或反跷跷板型中微子质量。该机制使TeV尺度的$W_R$和$Z_R$玻色子成为可能，预测可观测的带电轻子 flavor 违反过程，并通过轻的惰性中微子主导$W_L-W_L$双贝塔衰变，同时支持具有近简并惰性中微子的共振重子生成。

ABSTRACT

In a recent review Mohapatra has discussed how type-I seesaw mechanism suppressed by fine tuning of Yukawa couplings, or specific textures of associated fermion mass matrices, can form the basis of neutrino masses in TeV scale $W_R$ boson models. In this paper we review recent works in another class of theories where the added presence of fermion singlets manifesting as sterile neutrinos render the type-I seesaw contribution vanishing but extended seesaw dominant where the light neutrino mass formula is same as the classic inverse seesaw but all massive neutrinos are Majorana fermions. We also show domunance of linear seesaw, or double seesaw, or type-II seesaw in due to cancellation of type-I seesaw. Embeddings of this mechnism in supersymmetric as well as non-supersymmetric SO(10) with low or intermediate masses of $W_R$ or $Z_R$ bosons are discussed. We also discuss how this cancellation criteria has led to a new mechanism of type-II seesaw dominance which permits $U(1)_{B-L}$ breaking scale much smaller than the left-handed triplet mass. Out of a number of new observable predictions, the most visible ones are the dominant contribution to LFV decays and neutrinoless double beta decay mediated by light sterile neutrinos in the $W_L-W_L$ channel. These seesaw dominance mechanisms are applicable in the extensions of the SM and high, intermediate, or low scale left-right gauge theories with or without their SO(10) origin. Other recent works on the applications of this mechanism covering dark matter and leptogenesis are noted..

研究动机与目标

• 通过引入规范单重态费米子抑制规范型-I跷跷板贡献，以解决跷跷板机制中的层次问题。
• 在左右对称和SO(10)模型中实现TeV尺度的$W_R$和$Z_R$玻色子，同时保持中微子质量生成机制与振荡数据的一致性。
• 探讨该机制对带电轻子 flavor 违反（LFV）、双贝塔衰变及重子生成的影响。
• 证明与传统类型-II跷跷板模型相比，$U(1)_{B-L}$对称性破缺尺度可显著降低。
• 为质量在几GeV至1 TeV之间的惰性中微子提供一个自然框架，其质量受轻子数对称性保护。

提出的方法

• 引入与右手中微子$N_i$混合的规范单重态费米子$S_i$，形成混合态，通过抵消条件抑制类型-I跷跷板贡献。
• 采用两步块对角化程序，推导出主导为反跷跷板形式的轻中微子质量矩阵，即使在类型-I跷跷板本应占主导时亦成立。
• 利用条件$M_N > M >> M_D, \nu_S$，确保跷跷板机制由扩展跷跷板公式主导，其中$M_N$和$M$分别为右手中性费米子和单重态费米子的质量。
• 推导出轻中微子质量为$M_\nu = -M_D^T M_S^{-1} M_D$，其中$M_S$为单重态费米子质量矩阵，类似于反跷跷板，但起源不同。
• 在非超对称与超对称SO(10)模型中实现该机制，确保 gauge 耦合统一与质子寿命约束得以满足。
• 分析其现象学后果：通过$W_L$和$W_R$交换导致的LFV衰变、由轻惰性中微子介导的$W_L-W_L$双贝塔衰变，以及由近简并惰性中微子引发的共振重子生成。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过引入规范单重态费米子，在左右对称和SO(10)模型中抑制类型-I跷跷板贡献，从而实现主导的扩展跷跷板机制？
• RQ2 该机制的现象学信号是什么，特别是在带电轻子 flavor 违反和双贝塔衰变方面？
• RQ3 该机制是否允许$U(1)_{B-L}$对称性破缺尺度远低于左手三重态质量，从而实现TeV尺度的$W_R$和$Z_R$玻色子？
• RQ4 来自单重态 sector 的轻惰性中微子如何影响$W_L-W_L$通道中双贝塔衰变的主导贡献？
• RQ5 在该框架中，能否通过质量在TeV量级的近简并惰性中微子实现共振重子生成？

主要发现

• 通过抵消条件抑制了类型-I跷跷板贡献，导致主导的扩展跷跷板机制，轻中微子质量由反跷跷板公式主导。
• 由于轻惰性中微子交换，预测了带电轻子 flavor 违反衰变如$\tau \to e\tau$、$\tau \to \nu\bar{\nu}$和$\nu \to e\tau$可被当前及未来实验探测到。
• 双贝塔衰变由轻惰性中微子介导的$W_L-W_L$通道主导，其衰变速率达到当前实验限制的饱和水平。
• $U(1)_{B-L}$对称性破缺尺度可降至TeV量级，使$W_R$和$Z_R$玻色子在LHC上可被探测，与传统要求GUT/普朗克尺度$W_R$质量的设想相反。
• 通过其他两代的近简并惰性中微子实现了共振重子生成，其质量在几GeV至1 TeV之间，可在低能标成功实现重子生成。
• 规范单重态费米子受全局轻子数对称性保护，确保其质量保持较轻（几GeV至约1 TeV），符合't Hooft自然性原则。