ニュートリノ：その質量を求めて
ニュートリノの質量の謎とそれが素粒子物理に与える影響を探る。
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目次
ニュートリノは宇宙の構成要素の一部で、小さくて軽く、検出が難しい粒子だよ。標準模型によれば、ニュートリノには質量がないはずなんだけど、実験ではニュートリノが質量を持っていることが示されたんだ。これにより、科学者たちはニュートリノがどうやって質量を得るのかを説明する理論やメカニズムがあるはずだと思っているんだ。
一つの人気のある説明は「シーソー・メカニズム」と呼ばれていて、これは標準模型にない重いニュートリノを導入することで、軽いニュートリノの小さな質量を説明するアイデアだよ。シーソー・モデルはたくさんあって、どれも重い粒子と軽いニュートリノの質量をつなげることを目指しているんだ。これらの重い粒子は右巻きニュートリノやステリルニュートリノと呼ばれることが多いよ。
ニュートリノなしダブルベータ崩壊とは？
ニュートリノなしダブルベータ崩壊は、核内の2つの中性子がニュートリノを生成せずに2つの陽子と2つの電子に崩壊する珍しい現象なんだ。このプロセスは、ニュートリノがマジョラナ粒子であることを示唆するから、すごく興味深いよ。つまり、ニュートリノが自分自身の反粒子になれるかもしれないってことさ。この過程を検出できたら、標準模型を超える新しい物理の重要な証拠になるんだ。
従来の見方では、この崩壊は軽い左巻きニュートリノの交換によって起こるけど、重いニュートリノや他の新しい粒子が関与する可能性もあるんだ。
左右対称モデルとその重要性
左右対称モデルは標準模型を拡張する理論的枠組みで、左巻き粒子と右巻き粒子の間に対称性を導入するんだ。このモデルは、ニュートリノの質量やレプトン数の違反など、さまざまな現象を説明できるから魅力的だよ。
このモデルでは、左巻きニュートリノと右巻きニュートリノの2種類が導入されるんだ。右巻きニュートリノはしばしば重くて、ニュートリノなしダブルベータ崩壊につながる可能性のある相互作用に関与しているんだよ。
ダブルシーソー・メカニズム
ダブルシーソー・メカニズムはシーソー・アイデアの進化版で、質量生成の複数の層があるんだ。まず、軽いニュートリノは重いニュートリノの存在によって質量を得る。その後、2層目で重いニュートリノ自身も別のメカニズムで質量を得るんだ。これにより、軽いニュートリノを重い右巻きニュートリノやステリルニュートリノとつなげる質量の階層が生まれるんだ。
この仕組みを使うことで、軽いニュートリノがどのように相互作用し、ニュートリノなしダブルベータ崩壊のようなプロセスに影響を与えるかを探れるんだよ。
ヒッグスセクターとその役割
ヒッグス場は、標準模型の粒子に質量を与えるのに重要なんだ。左右対称モデルでは、ヒッグスセクターには異なるタイプのヒッグス場があって、対称性を破り、粒子に質量を与えるのを助けるんだ、当然ニュートリノも含まれているよ。2つのヒッグスダブレットと1つのバイダブレットがあることで、左巻きと右巻きフェルミオンの双方に対する質量項を生成するさまざまな方法が可能になるんだ。
これらのヒッグス場がフェルミオンとどう相互作用するかは複雑だけど、基本的にはその真空期待値を通じて質量を生成することができるんだ。
ゲージボソンの役割
左右対称モデルでは、新しいゲージボソンが導入されて、粒子間の相互作用を仲介するんだ。これらのゲージボソンは粒子が互いに及ぼす力に関わっていて、左巻きと右巻きのセクターをつなげて、ヒッグス場が非ゼロの値を持つときに起こる対称性破壊プロセスの影響を受けるんだ。
これらのゲージボソンの質量と混合を理解することは、ニュートリノなしダブルベータ崩壊への影響を計算するのに重要なんだ。
ニュートリノなしダブルベータ崩壊の予測
このモデルを使って、科学者たちはニュートリノなしダブルベータ崩壊の率について予測を立てられるよ。崩壊振幅は、軽いニュートリノと重いニュートリノの交換によって影響を受ける可能性があるんだ。特に、重いニュートリノの寄与はかなり大きいことがあるよ、特にその質量やモデルから導かれた混合角に関連して考慮されるときね。
相互作用の強さやモデルのパラメータを探ることで、崩壊率にどのように影響するかを見て、今後の実験で観測されることの予測を立てることができるんだ。
ニュートリノなしダブルベータ崩壊に対する実験的探求
ニュートリノなしダブルベータ崩壊を探すための実験に多くの努力が向けられているよ。これらの実験は、崩壊率を測定し、左右対称モデルやダブルシーソー・メカニズムの予測を支持または反証する証拠を探すことを目指しているんだ。
LEGEND、nEXO、KamLAND-Zen IIのような次世代の実験が、高度な技術と感度を持ってこれらの希少な崩壊イベントを検出するために建設されているんだ。もしこれらの実験が崩壊を検出できたら、ニュートリノの性質やそれを説明する理論の妥当性に対する重要な洞察を提供することになるんだ。
結論
ダブルシーソー・メカニズムを持つ左右対称モデルは、ニュートリノの質量やニュートリノなしダブルベータ崩壊における役割を理解するための魅力的な枠組みを提供しているんだ。軽いニュートリノと重いニュートリノの相互作用を探ることで、このモデルは現在および未来の実験で試されている貴重な予測を提供しているよ。これらの粒子がどのように振る舞うかを理解することで、私たちの宇宙の基本的な働きや物質の本質についての深い洞察が得られるかもしれないんだ。
研究者たちは、実験結果が出るにつれてこれらのモデルを洗練させ、新しい予測を立てるために常に取り組んでいるんだ。それぞれの発見は、粒子物理学の理解を再構築する可能性があって、私たちを宇宙のより完全な理論へと導くかもしれないんだよ。
タイトル: Neutrinoless double beta decay in Left-Right symmetric model with double seesaw mechanism
概要: We discuss a left-right (L-R) symmetric model with the double seesaw mechanism at the TeV scale generating Majorana masses for the active left-handed (LH) flavour neutrinos $\nu_{\alpha L}$ and the heavy right-handed (RH) neutrinos $N_{\beta R}$, $\alpha,\beta = e,\mu,\tau$, which in turn mediate lepton number violating processes, including neutrinoless double beta decay. The Higgs sector is composed of two Higgs doublets $H_L$, $H_R$, and a bi-doublet $\Phi$. The fermion sector has the usual for the L-R symmetric models quarks and leptons, along with three $SU(2)$ singlet fermion $S_{\gamma L}$. The choice of bare Majorana mass term for these sterile fermions induces large Majorana masses for the heavy RH neutrinos leading to two sets of heavy Majorana particles $N_j$ and $S_k$, $j,k=1,2,3$, with masses $m_{N_j} \ll m_{S_k}$. Working with a specific version of the model in which the $\nu_{\alpha L} - N_{\beta R}$ and the $N_{\beta R} - S_{\gamma L}$ Dirac mass terms are diagonal, and assuming that $m_{N_j} \sim (1 - 1000)$ GeV and ${\rm max}(m_{S_k}) \sim (1 - 10)$ TeV, $m_{N_j} \ll m_{S_k}$, we study in detail the new ``non-standard'' contributions to the $0\nu\beta\beta$ decay amplitude and half-life arising due to the exchange of virtual $N_j$ and $S_k$. We find that in both cases of NO and IO light neutrino mass spectra, these contributions are strongly enhanced and are dominant at relatively small values of the lightest neutrino mass $m_{1(3)} \sim (10^{-4} - 10^{-2})$ eV over the light Majorana neutrino exchange contribution. In large part of the parameter space, the predictions of the model for the $0\nu\beta\beta$ decay generalised effective Majorana mass and half-life are within the sensitivity range of the planned next generation of neutrinoless double beta decay experiments LEGEND-200 (LEGEND-1000), nEXO, KamlAND-Zen-II, CUPID, NEXT-HD.
著者: Sudhanwa Patra, S. T. Petcov, Prativa Pritimita, Purushottam Sahu
最終更新: 2023-04-27 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://arxiv.org/abs/2302.14538
ソースPDF: https://arxiv.org/pdf/2302.14538
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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