[论文解读] TeV-scale seesaw with non-negligible left-right neutrino mixings

Naoyuki Haba, Tomohiro Horita+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2011

Neutrino Physics Research参考文献 21被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种自然的TeV尺度跷跷板机制，其中左-右中微子混合不可忽略，同时保持轻子中微子质量极小。通过安排狄拉克质量矩阵，使得 (M_D)_{33} 占主导地位，且 (M_R^{-1})_{33} → 0，该机制在保持轻中微子质量低于eV量级的同时，实现了显著的左-右混合，预测 sin²θ₁₃ ≈ 0.01–0.04（即 sinθ₁₃ ≈ 0.10–0.20），可在正在进行的中微子振荡实验中检验。

ABSTRACT

We suggest natural TeV-scale seesaw with non-negligible left-right neutrino mixings as preserving tiny neutrino masses. Our analysis is exhibited, without loss of generality, by taking a basis of the neutrino matrices, in which the condition to obtain the left-right mixings is clear. We also suggest a flavor symmetry as an underlying theory, which naturally realizes our setup to preserve tiny neutrino masses. Our setup can predict a magnitude of sin theta_13 in a region of 0.10 to 0.20, depending on the deviation from maximal atmospheric neutrino mixing and CP phase. We also investigate experimental constraints and phenomenology in our setup.

研究动机与目标

• 解决跷跷板模型中极小中微子质量与大左-右混合之间的张力。
• 构建一种自然的TeV尺度跷跷板机制，避免引入超重的右手中微子。
• 确定左-右中微子混合在实验上可探测的条件，同时保持极小的活性中微子质量。
• 提出一种 flavor 对称性实现方式，自然导出所需的质量矩阵结构。
• 探索现象学信号，包括对撞机中的同号双轻子事例，以及来自 μ→eγ 和 0νββ 衰变的约束。

提出的方法

• 采用中微子质量矩阵的基，通过场旋转显式展现左-右混合条件，不失一般性。
• 分析一个两味简化的模型，说明当 xM ∼ m 且 b ≪ 1 时，左-右混合可显著增大（为简化，设 a ≪ 1）。
• 通过连续旋转（如 U₂₃(θ)）对 4×4 中微子质量矩阵进行对角化，并利用跷跷板公式提取有效轻中微子质量矩阵。
• 将有效 PMNS 混合矩阵表示为左手中微子、右手中微子及旋转诱导混合矩阵的乘积。
• 利用 SU(2)×U(1) 规范对称性与标量希格斯场（flavon fields）构建一个具有 flavor 对称性的模型，以生成所需的质量矩阵纹理。
• 施加条件如 yw − z² = 0，使右手中微子质量简并，从而实现共振重子生成，并抑制 μ→eγ 和 0νββ 衰变振幅。

实验结果

研究问题

• RQ1 在TeV尺度跷跷板模型中，是否可能实现大左-右中微子混合，同时保持活性中微子质量在eV量级？
• RQ2 M_D 和 M_R 中何种矩阵结构可导致不可忽略的左-右混合，而无需引入超重的右手中微子？
• RQ3 偏离最大大气混合角与CP相位的偏差如何影响 sinθ₁₃ 的预测？
• RQ4 能否通过 flavor 对称性自然实现所需的质量矩阵纹理，同时保持极小的活性中微子质量与可探测的左-右混合？
• RQ5 此类模型的对撞机与稀有衰变信号为何？特别是同号双轻子事例与 μ→eγ 衰变的信号如何？

主要发现

• 该模型通过确保在三味情况下 (M_D)_{33} 占主导地位，且 (M_R^{-1})_{33} → 0，实现了不可忽略的左-右中微子混合（在一味情况下 sinθ ∼ 10⁻⁶）。
• 通过跷跷板公式推导出有效轻中微子质量矩阵，得到 m_ν ∼ M_D M_R^{-1} M_D^T，且非对角项贡献被抑制。
• 该模型预测 sinθ₁₃ 落在 0.10 至 0.20 之间，具体取决于偏离最大大气混合角的程度与CP相位。
• 即使 0νββ 衰变被禁止，同号双轻子截面（e⁺e⁺, e⁺μ⁺, μ⁺μ⁺）在LHC上仍可观测。
• 当 yw − z² = 0 时，通过使右手中微子质量简并（M₂ ≈ M₃），可使 μ→eγ 振幅抵消，满足严格的实验限制。
• 由于两个较重右手中微子近乎简并，可实现共振重子生成，从而在TeV尺度质量下成功实现重子生成。