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

L'univers est rempli de matière, des étoiles au-dessus de nous jusqu'aux atomes de nos propres corps, pourtant le fait que cette matière existe du tout demeure un mystère profond. Selon les lois les plus fondamentales de la physique, le Big Bang aurait dû produire des quantités égales de matière et d'antimatière, qui se seraient instantanément annihilées, laissant derrière elles un cosmos d'énergie pure et rien d'autre. Le fait que nous soyons ici, entourés d'un univers d'étoiles et de planètes, implique qu'un léger déséquilibre inexpliqué a fait pencher la balance en faveur de la matière il y a des milliards d'années. Les physiciens cherchent depuis longtemps le mécanisme derrière cette survie, cherchant un processus capable de générer un léger excès de matière sur l'antimatière dans l'univers primordial. Parallèlement, un autre puzzle profond est apparu : les neutrinos, ces particules fantomatiques qui traversent tout, étaient longtemps considérés comme dépourvus de masse, mais des expériences ont prouvé qu'ils possèdent une masse infime et insaisissable. Comprendre comment ces particules acquièrent leur masse et comment elles pourraient avoir piloté la création de la matière sont les deux faces d'une même pièce, et résoudre l'un pourrait déverrouiller les secrets de l'autre.

Une équipe de chercheurs a proposé un nouveau cadre théorique qui tente de résoudre ces deux mystères simultanément. Ils ont construit une version modifiée du Modèle Standard, le livre de règles décrivant toutes les particules et forces connues, en y ajoutant quelques ingrédients spécifiques. Le cœur de leur idée consiste à introduire un second type de champ de Higgs, un champ qui donne leur masse aux particules, lequel interagit très faiblement avec la matière ordinaire mais fortement avec un nouveau type de neutrino lourd. Cette configuration, connue sous le nom de modèle à deux doublets de Higgs neutrinophile, permet aux neutrinos lourds d'exister à une échelle d'énergie bien plus basse que ce qui était auparavant jugé possible, les rendant accessibles aux expériences de physique des particules actuelles et futures. Pour rendre le modèle prédictif et expliquer les schémas spécifiques selon lesquels les neutrinos changent d'identité lorsqu'ils voyagent, les chercheurs ont imposé une symétrie mathématique spécifique au système. Cette symétrie agit comme un ensemble strict de règles qui dicte la manière dont les particules peuvent interagir, forçant le modèle à produire un schéma de mélange de neutrinos très précis, connu sous le nom de mélange Trimaximal.

En effectuant des calculs détaillés dans ce cadre, les chercheurs ont constaté que leur modèle reproduit avec succès les propriétés observées des neutrinos, y compris leurs masses et les angles de mélange. Le modèle prédit que le neutrino le plus léger possède une masse presque nulle, tandis que les deux autres ont des masses qui s'inscrivent parfaitement dans la plage mesurée par les expériences mondiales. Une prédiction particulièrement frappante concerne la masse effective du neutrino, une valeur qui détermine la probabilité que la particule subisse un processus rare appelé double bêta décroissance sans neutrino. Le modèle suggère que cette valeur est extrêmement faible, se situant entre 4 et 5 millionièmes de un milliardième de gramme. Cela est nettement inférieur aux limites de sensibilité des expériences actuelles, ce qui signifie que même nos détecteurs les plus avancés ne sont pas encore assez puissants pour percevoir ce signal, bien que de futures expériences, plus vastes, puissent éventuellement sonder cette plage minuscule.

L'étude a également examiné si ce cadre pouvait expliquer l'origine du déséquilibre matière-antimatière. Dans l'univers primordial, les neutrinos lourds introduits dans le modèle auraient subi une désintégration, et grâce aux interactions spécifiques autorisées par la nouvelle symétrie, ces désintégrations auraient pu produire un léger excès de leptons, une famille de particules qui inclut les électrons et les neutrinos. Cet excès de leptons aurait ensuite été converti en l'excès de matière que nous voyons aujourd'hui. Les chercheurs ont démontré que ce processus, connu sous le nom de leptogénèse, peut fonctionner efficacement même avec les neutrinos lourds existant à une échelle d'énergie relativement basse d'environ 10 TeV, ce qui est bien plus accessible que les trillions d'électron volts requis par les théories plus anciennes. Ils ont montré qu'en équilibrant soigneusement les masses des nouvelles particules et la force de leurs interactions, le modèle peut générer exactement la quantité d'asymétrie de matière observée aujourd'hui dans l'univers.

Cependant, le modèle n'est pas exempt de contraintes. Les chercheurs ont dû s'assurer que les nouvelles particules et forces qu'ils ont introduites ne violaient pas les limites expérimentales connues, particulièrement concernant les processus rares où un type de lepton chargé se transforme en un autre, comme un muon se transformant en un électron et un photon. Leurs calculs ont montré que la force des interactions dans leur modèle est suffisamment faible pour satisfaire à ces limites expérimentales strictes, actuellement fixées par la collaboration MEG. L'étude conclut que cet arrangement spécifique de particules et de symétries offre une explication cohérente et testable tant pour la nature de la masse des neutrinos que pour l'existence de la matière dans l'univers. Elle trace une voie claire, reliant les prédictions théoriques aux possibilités expérimentales, et suggère que les réponses à ces questions cosmiques pourraient se trouver juste au-delà de la portée de nos instruments actuels, attendant d'être découvertes dans la prochaine génération d'expériences de physique des particules.