[论文解读] $U(1)_χ$ and Seesaw Dirac Neutrinos

Ernest Ma|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种$U(1)_\chi$扩展的$SO(10)$大统一模型，通过一个$Z_2$对称性模型自然地实现轻 Dirac 型中微子质量，其质量由一个重右手中微子质量抑制。该模型同时实现了自相互作用暗物质（通过一个轻的双轻子标量媒介子实现）、通过一个重 Majorana 费米子的$B$-破坏衰变实现的重子生成，以及通过一个具有费米子色八重态的 Peccei-Quinn 对称性实现的轴子暗物质，所有过程在基本层次上均保持$B$和$L$守恒。

ABSTRACT

In the context of $SO(10) o SU(5) imes U(1)_χ$, it is shown how seesaw Dirac neutrinos may be obtained. In this framework, $U(1)$ lepton number is conserved, with which self-interaction dark matter with a light scalar dilepton mediator may be implemented. In addition, $U(1)$ baryon number may be broken to $(-1)^{3B}$, thereby generating a baryon asymmetry of the Universe. The axionic solution to the strong $CP$ problem may also be incorporated.

研究动机与目标

• 构建一个现实的$SO(10)\to SU(5)\times U(1)_\chi$大统一模型，通过 seesaw 机制自然地生成轻 Dirac 型中微子质量。
• 通过一个仅耦合到轻子的轻标量双轻子媒介子实现自相互作用暗物质，同时保持轻子数守恒并避免晚期宇宙微波背景辐射畸变。
• 通过一个重 Majorana 费米子的$B$-破坏衰变实现重子生成，类似于轻子生成机制，但使用标量二重子而非 Majorana 中微子。
• 通过一个具有费米子色八重态和一个单态标量的 Peccei-Quinn 对称性，实现轴子解决强$CP$问题。

提出的方法

• 引入新的费米子$N, N^c$，分别位于$126^*, 126$表示中，并从$144$表示中引入一个希格斯双态，以构成$4\times4$中微子质量矩阵。
• 引入$Z_2$离散对称性以确保$B$和$L$守恒，并通过一个三线性项$\mu\sigma\Phi^\dagger\eta$实现软性破缺，从而实现 seesaw 机制。
• 利用包含$\Phi$, $\eta$, 和$\sigma$的标量势，稳定真空并生成所需的真空期望值$v_1, v_2, v_3, u$。
• 引入标量二重子$h_1, h_2$和一个费米子$\psi$，以介导$B$-破坏衰变，通过类比于轻子生成的单圈图生成$CP$不对称性。
• 假设存在一个费米子色八重态$\Omega$和一个单态标量$S$，以实现 Peccei-Quinn 对称性，其中$S$的动力学相位成为不可见轴子。
• 确保所有对称性在拉格朗日量层次上保持不变，仅通过三线性项实现软性破缺，以维持自然性和 gauge 耦合统一性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$SO(10)\to SU(5)\times U(1)_\chi$模型中，$U(1)_\chi$在$SU(5)$尺度以下仍存在时，是否能自然地生成 seesaw Dirac 中微子质量？
• RQ2 如何通过仅耦合到轻子的轻标量媒介子实现自相互作用暗物质，同时避免宇宙学约束？
• RQ3 在基本层次上保持$B$和$L$守恒的前提下，是否能通过一个重 Majorana 费米子的$B$-破坏衰变实现重子生成？
• RQ4 在非超对称框架下，通过一个具有费米子色八重态和单态标量的轴子机制，是否能解决强$CP$问题？
• RQ5 该模型中$Z_\chi$规范玻色子和轻标量媒介子在对撞机和暗物质探测中的现象学信号是什么？

主要发现

• seesaw Dirac 中微子质量为$m_\nu = f_\eta f_\sigma v_3 u / m_N$，由于$m_N$尺度较大，其值自然很小。
• 轻标量媒介子（双轻子）仅耦合到中微子，在宇宙学时标内稳定，避免了晚期 CMB 畸变。
• 重子生成的$CP$不对称性为$\epsilon = -\frac{3}{16\pi} \frac{m_{\psi_1}}{m_{\psi_2}} \frac{\text{Im}[(f_1 f_2^*)^2]}{|f_1|^2}$，当$|f_1| \ll 0.02$且$m_{\psi_2}/m_{\psi_1} = 6$时，可实现可行的不对称性。
• 重子不对称性量级为$\epsilon / g_*$，为使该值达到$10^{-10}$，需满足$|f_2| \sim 10^{-3}$，且相对相位为1量级。
• 轴子作为标量$S$的动力学相位出现，通过$S^* \Omega \Omega$耦合获得质量，并以不可见轴子形式贡献于暗物质。
• 通过$h_1 d^c \psi$和$h_1^* \bar{d}^c \psi$过程实现$B$-破坏衰变，$h_1$-$h_2$混合通过$\langle\sigma\rangle$实现，从而以类比于轻子生成的方式生成$CP$不对称性。