超越標準模型的中微子唯象學研究

《超越標準模型的中微子唯象學研究》是依託天津理工大學，由劉繼元擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：超越標準模型的中微子唯象學研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉繼元
• 依託單位：天津理工大學

項目摘要

中微子振盪現象給我們提供了超越標準模型的新物理信號，即中微子是存在味混合的有質量粒子。雖然通過傳統的seesaw機制可以產生符合各類實驗的中微子質量和混合角，但是此類模型中引入的新粒子質量太大，難以在當前的和可預期未來的實驗中觀測到。近年來，隨著大型強子對撞機LHC的運行以及天體觀測實驗的進展，如何在較低能標下產生中微子質量成為熱點。本項目將研究各種超越標準模型的新物理機制中的中微子質量產生和味混合。首先，我們將系統地分析各類模型的特點和參數結構。然後，我們將計算以輕子味/數破壞過程為主的各種低能過程對模型的限制和預言。在此基礎上，我們將把新模型套用到高能對撞機上與中微子相關的各種可能過程的研究當中。此外，我們還將研究重中微子作為暗物質候選者及通過leptogenesis產生宇宙中重子數不對稱性的可能性。這些研究對於揭示中微子質量產生之謎和發現與中微子相關的新物理過程均具有積極意義。

結題摘要

中微子振盪現象給我們提供了超越標準模型的新物理信號，即中微子是存在味混合的有質量粒子。雖然通過傳統的seesaw機制可以產生符合各類實驗的中微子質量和混合角，但是此類模型中引入的新粒子質量太大，難以在當前的和可預期未來的實驗中觀測到。近年來，隨著大型強子對撞機LHC 的運行以及天體觀測實驗的進展，如何在較低能標下產生中微子質量成為熱點。 在本項目中，我們研究了各種超越標準模型的新物理機制中的中微子質量產生和味混合。首先，我們在一個最小鏈式蹺蹺板模型中（cascade seesaw）進行了詳盡的唯象學分析。此模型引入了一個超荷為1的標量四重態和一個超荷為0的費米子五重態，從而通過樹圖階的seesaw機制產生一個維度為9的中微子質量算符。我們找到了一個合適的參數化方案，在這個方案下，所有的混合矩陣都可以表示成已測量到的中微子物理參數、標量四重態的真空期望值和一個自由的復參數。我們發現低能區的輕子味破壞過程對模型中的自由參數有著極強的限制，而這些限制對於在對撞機實驗中驗證此模型具有很大影響。我們計算了此模型中的新粒子在大型強子對撞機上可能出現的各種信號。最後的結論是，對於探測新玻色子，4j2l道是最重要的；而對於新費米子，4l2j道和5l+MET道是最有希望的。 為了更好地理解中微子質量矩陣的結構，以及受大亞灣和RENO中微子實驗結果（發現較大的中微子1-3混合角）的啟發，我們系統地研究了一種Majorana型中微子質量矩陣的混合結構——質量矩陣中存在一個0元素和兩個相等的非零元素。我們發現，在這種結構中，三個中微子質量和三個輕子CP破壞相位可以完全地被實驗中已經測量到的兩個中微子質量平方差和三個輕子味混合角所確定。在60種可能的子結構中，有39種尚未被當前實驗結果所排除（3sigma置信水平下）。 除此之外，我們還研究了自旋為3/2的狄拉克型標準模型單態費米子作為暗物質候選者的可能性。我們考察了當前各類實驗和觀測中對此種暗物質候選者的質量和有效相互作用強度的限制。結論是，留給自旋為3/2的暗物質粒子的參數空間並不大，其質量至少要在1TeV以上。