[论文解读] Small neutrino masses due to R-symmetry breaking for a small cosmological constant

Rhys Davies, Matthew McCullough|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 12

一句话总结

该论文提出一个超对称模型，其中小的狄拉克中微子质量自然地源于为实现小宇宙学常数所必需的R对称性自发破缺。在TeV尺度超对称粒子的低能标超对称破缺情景中，该机制生成的中微子质量与超对称破缺尺度无关，预测为纯粹的狄拉克中微子，并通过带电标量衰变产生具有味特异性的对撞机信号。

ABSTRACT

We describe a class of supersymmetric models in which neutrinos are kept light by an R-symmetry. In supergravity, R-symmetry must be broken to allow for a small cosmological constant after supersymmetry breaking. In the class of models described here, this R-symmetry breaking results in the generation of Dirac neutrino masses, connecting the tuning of the cosmological constant to the puzzle of neutrino masses. Surprisingly, under the assumption of low-scale supersymmetry breaking and superpartner masses close to a TeV, these masses are independent of the fundamental supersymmetry-breaking scale, and accommodate the correct magnitude. This offers a novel explanation for the vastly different scales of neutrino and charged fermion masses. These models require that R-symmetric supersymmetry exists at the TeV scale, and predict that neutrino masses are purely Dirac, implying the absence of neutrino-less double beta-decay. Interesting collider signals can arise due to charged scalars which decay leptonically, with branching ratios determined by the neutrino mixing matrix.

研究动机与目标

• 解释中微子质量的小量，而无需引入新的小参数或高能标。
• 通过R对称性破缺，将宇宙学常数的微调问题与中微子质量的起源联系起来。
• 提出一种机制，使中微子质量在低能标超对称破缺情景中自然产生。
• 预测中微素双贝塔衰变和对撞机实验中可检验的信号。
• 证明在特定假设下，狄拉克中微子质量与超对称破缺尺度无关。

提出的方法

• 引入一种R对称性，保护中微子不获得弱能标质量，从而确保其保持轻质量。
• 利用超重力中的R对称性破缺来抵消宇宙学常数，同时生成狄拉克中微子质量。
• 假设低能标超对称破缺，超对称粒子为TeV量级，并采用O(1)耦合，以确保生成的中微子质量与观测值一致。
• 引入R荷为2的标量场（R奇偶性单态），通过Yukawa相互作用与中微子耦合，实现其直接衰变为轻子。
• 从R对称性破缺项推导中微子质量矩阵，表明其自然地很小，且与引力子质量标度无关。
• 分析对撞机现象学，重点研究带电R单态标量衰变为孤立轻子的过程，其味由PMNS矩阵决定。

实验结果

研究问题

• RQ1 中微子质量的小量是否可以在不引入新小参数或高能标的情况下得到解释？
• RQ2 在超对称模型中，小宇宙学常数与中微子质量小量之间是否存在自然的联系？
• RQ3 在低能标超对称情景中，R对称性破缺是否能生成正确量级的狄拉克中微子质量？
• RQ4 R对称性破缺在对撞机中可能产生哪些可区分于其他超对称情景的信号？
• RQ5 该机制是否预测无中微子双贝塔衰变的缺失？若存在，其条件是什么？

主要发现

• 中微子质量在正确量级（~0.1 eV）下由R对称性破缺产生，且与超对称破缺尺度无关。
• 该模型预测中微子为纯粹的狄拉克中微子，意味着未来实验将不会观测到无中微子双贝塔衰变。
• 带电R单态标量通过PMNS混合矩阵决定的分支比发生轻子衰变，产生具有味特异性的末态。
• 在正常中微子质量顺序下，衰变主要发生在μ子和τ子末态，当θ₁₃较小时，电子末态分支比可忽略不计。
• 当mν₃/m₃/₂ ≳ 10⁻³时，R单态标量的直接衰变到轻子模式占主导，这在如SOHDM等模型中自然满足。
• 该模型预测对撞机事例中产生高多重末态，其特征信号为孤立轻子，其味由PMNS矩阵反映。