Low scale leptogenesis and $TM_1$ mixing in neutrinophillic two Higgs doublet model($\nu$2HDM) with S4 flavor symmetry

El universo está lleno de materia, desde las estrellas en lo alto hasta los átomos en nuestros propios cuerpos, pero es un misterio profundo por qué esta materia existe en absoluto. Según las leyes más fundamentales de la física, el Big Bang debería haber producido cantidades iguales de materia y antimateria, las cuales se habrían aniquilado instantáneamente entre sí, dejando tras de sí un cosmos de pura energía y nada más. El hecho de que estemos aquí, rodeados de un universo de estrellas y planetas, implica que un pequeño e inexplicable desequilibrio inclinó la balanza a favor de la materia hace miles de millones de años. Los físicos han buscado durante mucho tiempo el mecanismo detrás de esta supervivencia, buscando un proceso que pudiera generar un ligero exceso de materia sobre la antimateria en el universo temprano. Al mismo tiempo, ha surgido otro enigma profundo: los neutrinos, partículas fantasmales que atraviesan todo, se pensaba durante mucho tiempo que carecían de masa, pero los experimentos han demostrado que poseen una masa diminuta y elusiva. Comprender cómo estas partículas adquieren masa y cómo podrían haber impulsado la creación de la materia son dos caras de la misma moneda, y resolver uno podría desbloquear los secretos del otro.

Un equipo de investigadores ha propuesto un nuevo marco teórico que intenta resolver ambos misterios simultáneamente. Han construido una versión modificada del Modelo Estándar, el libro de reglas que describe todas las partículas y fuerzas conocidas, añadiendo algunos ingredientes específicos. El núcleo de su idea consiste en introducir un segundo tipo de campo de Higgs, un campo que otorga masa a las partículas, el cual interactúa muy débilmente con la materia ordinaria pero fuertemente con un nuevo tipo de neutrino pesado. Esta configuración, conocida como un modelo de dos dobletes de Higgs neutrinofílico, permite que los neutrinos pesados existan en una escala de energía mucho más baja de lo que se creía posible anteriormente, situándolos al alcance de los experimentos actuales y futuros. Para que el modelo sea predictivo y para explicar los patrones específicos en los que los neutrinos cambian su identidad mientras viajan, los investigadores impusieron una simetría matemática específica al sistema. Esta simetría actúa como un conjunto estricto de reglas que dicta cómo pueden interactuar las partículas, forzando al modelo a producir un patrón de mezcla de neutrinos muy específico conocido como mezcla Trimaximal.

Al realizar cálculos detallados dentro de este marco, los investigadores encontraron que su modelo reproduce con éxito las propiedades observadas de los neutrinos, incluyendo sus masas y los ángulos en los que se mezclan. El modelo predice que el neutrino más ligero tiene una masa cercana a cero, mientras que los otros dos tienen masas que encajan perfectamente dentro del rango medido por experimentos globales. Una predicción particularmente llamativa concierne a la masa efectiva del neutrino, un valor que determina qué tan probable es que la partícula experimente un proceso raro llamado desintegración doble beta sin neutrinos. El modelo sugiere que este valor es extremadamente pequeño, situándose entre 4 y 5 millonésimas de milmillonésima de un gramo. Esto es significestivamente inferior a los límites de sensibilidad de los experimentos actuales, lo que significa que incluso nuestros detectores más avanzados aún no son lo suficientemente potentes para ver esta señal, aunque futuros experimentos más grandes puedan eventualmente ser capaces de sondear este rango diminuto.

El estudio también investigó si este marco podría explicar el origen del desequilibrio entre materia y antimateria. En el universo temprano, los neutrinos pesados introducidos en el modelo habrían decaído y, debido a las interacciones específicas permitidas por la nueva simetría, estas desintegraciones podrían haber producido un ligero exceso de leptones, una familia de partículas que incluye electrones y neutrinos. Este exceso de leptones se habría convertido luego en el exceso de materia que vemos hoy. Los investigadores demostraron que este proceso, conocido como leptogénesis, puede funcionar eficazmente incluso con los neutrinos pesados existiendo en una escala de energía relativamente baja de alrededor de 10 TeV, lo cual es mucho más accesible que los billones de electronvoltios requeridos por teorías más antiguas. Demostraron que, al equilibrar cuidadosamente las masas de las nuevas partículas y la fuerza de sus interacciones, el modelo puede generar exactamente la cantidad de asimetría de materia observada en el universo actual.

Sin embargo, el modelo no está exento de restricciones. Los investigadores tuvieron que asegurar que las nuevas partículas y fuerzas que introdujeron no violaran los límites experimentales conocidos, particularmente aquellos que conciernen a procesos raros donde un tipo de leptón cargado se transforma en otro, como un muón convirtiéndose en un electrón y un fotón. Sus cálculos mostraron que la fuerza de las interacciones en su modelo es lo suficientemente débil como para satisfacer estos estrictos límites experimentales, que actualmente son establecidos por la colaboración MEG. El estudio concluye que este arreglo específico de partículas y simetrías ofrece una explicación coherente y contrastable tanto para la naturaleza de la masa de los neutrinos como para la existencia de la materia en el universo. Proporciona un camino claro a seguir, vinculando las predicciones teóricas con las posibilidades experimentales, y sugiere que las respuestas a estas preguntas cósmicas pueden encontrarse justo más allá del alcance de nuestros instrumentos actuales, esperando ser descubiertas en la próxima generación de experimentos de física de partículas.