[论文解读] Time- and Space-Varying Neutrino Mass Matrix from Soft Topological Defects

Gia Dvali, Lena Funcke+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2021

Neutrino Physics Research被引用 4

一句话总结

本文提出，由于在宇宙再结合后晚期相变过程中形成的软性引力诱导拓扑缺陷（如Skyrmion、单极子、弦和域壁）导致中微子质量矩阵随时间和空间变化。这些缺陷源于中微子味对称性的自发性自发性破缺，通过引力真空极化率实现，其可观测信号可能在未来中微子实验中区分狄拉克与马约拉纳中微子的本质。

ABSTRACT

We study the formation and evolution of topological defects that arise in the post-recombination phase transition predicted by the gravitational neutrino mass model in [Dvali, Funcke, Phys. Rev. D 93, 113002 (2016)]. In the transition, global skyrmions, monopoles, strings, and domain walls form due to the spontaneous breaking of the neutrino flavor symmetry. These defects are unique in their softness and origin; as they appear at a very low energy scale, they only require Standard Model particle content, and they differ fundamentally depending on the Majorana or Dirac nature of the neutrinos. One of the observational signatures is the time dependence and space dependence of the neutrino mass matrix, which could be observable in future neutrino experiments. Already existing data rule out parts of the parameter space in the Majorana case. The detection of this effect could shed light onto the open question of the Dirac versus Majorana neutrino nature.

研究动机与目标

• 研究在低能引力中微子质量模型中，中微子味对称性自发破缺所导致的拓扑缺陷的形成与演化。
• 确定中微子的性质（狄拉克或马约拉纳）如何影响所产生缺陷（如域壁和弦）的类型与稳定性。
• 探索这些缺陷导致的时间-空间依赖中微子质量矩阵在未来的中微子与宇宙学实验中的可观测信号。
• 通过分析现有数据（特别是域壁与单极子丰度）对模型的可行性进行评估。
• 考察轴子型域壁及其湮灭过程在不同相变动力学下对暗辐射或暗物质的贡献。

提出的方法

• 利用引力真空极化率条件 ⟨R̃R,R̃R⟩q→0 ≠ 0 建模相变，该条件意味着引力中存在物理θG项，触发费米子凝聚。
• 应用基布尔机制描述在中微子味对称性自发破缺过程中形成的拓扑缺陷（Skyrmion、单极子、弦、域壁）的形成。
• 使用有效场论描述中微子凝聚 ⟨ν̄ν⟩ 及其与希格斯型复合标量场 Φ 的耦合，从而导致有效中微子质量 mν ∼ ΛG。
• 计算缺陷的能量密度与张力：ρSW(t) ∼ σW t⁻¹ ∼ ΛG³ t⁻¹，对应域壁网络，其中 σW ∼ ΛG³ / NF，适用于域壁。
• 分析不与周围物质相互作用的轴子型域壁（DWs）的动力学，导致高效湮灭并产生暗辐射。
• 评估具有压强差 δp ∼ mν ≤ 0.8 eV 与来自 φk 玻色子散射的粘滞系数 η 的非拓扑型域壁的影响，确定其湮灭速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 软性拓扑缺陷如何由于中微子味对称性的自发破缺而在晚期宇宙中形成？
• RQ2 当中的微子为狄拉克或马约拉纳费米子时，缺陷类型（Skyrmion、单极子、弦、域壁）有何不同？
• RQ3 这些缺陷如何导致时间-空间依赖的中微子质量矩阵？其可观测信号是什么？
• RQ4 现有数据对模型参数空间（特别是马约拉纳情形）施加了何种约束？
• RQ5 轴子型域壁及其湮灭过程如何贡献于暗辐射或暗物质？这又如何依赖于相变类型（一级或二级）？

主要发现

• 通过基布尔机制，在由引力真空极化率触发的晚期相变过程中，形成 Skyrmion、单极子、弦和域壁等拓扑缺陷。
• 域壁-弦网络的能量密度满足 ρSW(t) ∼ ΛG³ t⁻¹，每哈勃体积中约有 O(10) 个域壁，与宇宙学约束一致。
• 由于缺乏摩擦，轴子型域壁能高效湮灭，其衰变产生的 ην 玻色子转化为 φk 玻色子，从而产生暗辐射。
• 该模型预测可观测到的时间-空间依赖中微子质量矩阵，未来实验或可据此区分狄拉克与马约拉纳中微子的本质。
• 现有数据已排除马约拉纳情形中部分参数空间，特别是对域壁与单极子丰度的约束。
• 具有压强差 δp ≤ 0.8 eV 且来自 φk 散射的粘滞性较低的非拓扑型域壁会迅速湮灭，从而稀释任何长寿命的网络结构。