[论文解读] Towards distinguishing Dirac from Majorana neutrino mass with gravitational waves

Stephen F. King, Danny Marfatia+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2023

Neutrino Physics Research被引用 11

一句话总结

本文提出利用引力波光谱来区分 Dirac 与 Majorana 中微子质量生成：Dirac seesaws 的域壁引发峰值与 Majorana seesaws 的宇宙弦引发平坦谱，并且与 NANOGrav 的含义相关。

ABSTRACT

We propose a new method towards distinguishing the Dirac versus Majorana nature of neutrino masses from the spectrum of gravitational waves (GWs) associated with neutrino mass genesis. Motivated by the principle of generating small neutrino masses without tiny Yukawa couplings, we assume generic seesaw mechanisms for both Majorana and Dirac neutrino masses. For Majorana neutrinos, we further assume a spontaneously broken gauged $U(1)_{B-L}$ symmetry, independently of the type of Majorana seesaw mechanism, which gives a cosmic string induced GW signal flat over a wide range of frequencies. For Dirac neutrinos, we assume the spontaneous breaking of a $Z_2$ symmetry, the minimal symmetry choice associated with all Dirac seesaw mechanisms, which is softly broken, generating a peaked GW spectrum from the annihilation of the resulting domain walls. In fact, the GW spectra for all types of Dirac seesaws with such a broken $Z_2$ symmetry are identical, subject to a mild caveat. As an illustrative example, we study the simplest respective type-I seesaw mechanisms, and show that the striking difference in the shapes of the GW spectra can help differentiate between these Dirac and Majorana seesaws, complementing results of neutrinoless double beta decay experiments. We also discuss detailed implications of the recent NANOGrav data for Majorana and Dirac seesaw models.

研究动机与目标

• 通过 seesaw 机制在不需要极其微小的 Yukawa 耦合的情况下推动小中微子质量。
• 证明对 Dirac 的 Z2 与对 Majorana 的 U(1)_{B−L} 对称性破缺模式会导致不同的 GW 签名。
• 证明 Dirac seesaw 通过域壁湮灭产生的 GW 谱具有峰值，而 Majorana seesaw 通过宇宙弦产生的谱则为平坦谱。
• 评估当前和未来引力波观测台对这些信号的灵敏度，并讨论 NANOGrav 数据的含义。

提出的方法

• 通过带规（gauged）U(1)_{B−L} 的型-I seesaw 分析 Majorana 势能质量的产生，导致宇宙弦 GW 背景（Eq. 5–12）。
• 通过带有破缺 Z2 对称性的 Dirac seesaw 分析 Dirac 势能质量的产生，导致域壁引起的 GW（Eq. 24–27）。
• 给出两种情形的显式拉格朗日量和质量矩阵（Eqs. 1–4）。
• 推导域壁张力、偏置势和湮灭时序以获得峰值 GW 振幅与频率（Eqs. 16–27, 24–27, 29–34）。
• 计算 GW 谱并比较在对 PTA 和其他干涉仪相关的频段中的能量密度形状（平坦 vs 峰值）。
• 使用当前和未来实验的 SNR 指标评估可探测性（Eq. 35, Fig. 3–5）。

Figure 2: Gravitational wave spectrum induced by cosmic strings generated via the spontaneous breaking of the gauged $U(1)_{B-L}$ symmetry responsible for Majorana mass of the neutrinos. $\Lambda$ denotes the scale of symmetry breaking.

实验结果

研究问题

• RQ1 引力波的谱形是否能够区分 Dirac 与 Majorana 中微子质量生成机制？
• RQ2 与 Dirac 域壁相关的特征性 GW 签名（峰值）与 Majorana 宇宙弦相关的 GW 签名（平坦）分别是什么？
• RQ3 当前 PTA 结果（例如 NANOGrav）是否与 Dirac 或 Majorana seesaw 情景相容，未来哪些观测可以测试它们？
• RQ4 在模型参数空间（u、V_bias、λ 等）的哪些区域能够在不与宇宙学冲突的情况下产生可探测的 GW 信号？

主要发现

• 通过 U(1)_{B−L} 宇宙弦实现的 Majorana 势能生成在广泛的频率范围内产生几乎平坦的 GW 谱。
• 带有 Z2 破缺的 Dirac 势能产生引起域壁的 GW 信号，在特征频率处有峰值。
• PTA 数据（如 NANOGrav）更自然地被 Dirac-domain-wall GW 信号所容纳，而不是 Majorana-cosmic-string 信号。
• 存在参数空间的受限区域（u, V_bias, λ 等），其中域壁 GW 可被 SKA、μAres、LISA、AEDGE、DECIGO、BBO、AION、AEDGE 以及 Advanced LIGO/Virgo、ET、CE 在其他频段探测。
• 基准点显示的峰频率和振幅与当前或近未来的 GW 观测台相兼容（Fig. 3–5, Table 1）。

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