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

L'universo è pieno di materia, dalle stelle in alto agli atomi nei nostri stessi corpi, eppure è un profondo mistero il perché questa materia esista affatto. Secondo le leggi più fondamentali della fisica, il Big Bang avrebbe dovuto produrre quantità uguali di materia e antimateria, che si sarebbero istantaneamente annichilate a vicenda, lasciando dietro di sé un cosmo di pura energia e nient'altro. Il fatto che noi siamo qui, circondati da un universo di stelle e pianeti, implica che un piccolo, inspiegabile squilibrio abbia spostato l'ago della bilancia a favore della materia miliardi di anni fa. I fisici cercano da tempo il meccanismo dietro questa sopravvivenza, cercando un processo che possa generare un leggero eccesso di materia rispetto all'antimateria nell'universo primordiale. Allo stesso tempo, è emerso un altro enigma profondo: i neutrini, particelle fantasma che attraversano tutto, sono stati a lungo considerati privi di massa, ma gli esperimenti hanno dimostrato che possiedono una massa piccola ed elusiva. Comprendere come queste particelle acquisiscano massa e come possano aver guidato la creazione della materia sono due facce della stessa medaglia, e risolvere uno potrebbe svelare il segreto dell'altro.

Un team di ricercatori ha proposto un nuovo quadro teorico che tenta di risolvere entrambi questi misteri simultaneamente. Hanno costruito una versione modificata del Modello Standard, il libro delle regole che descrive tutte le particelle e le forze note, aggiungendo alcuni ingredienti specifici. Il nucleo della loro idea prevede l'introduzione di un secondo campo di Higgs, un campo che conferisce massa alle particelle, il quale interagisce molto debolmente con la materia ordinaria ma fortemente con un nuovo tipo di neutrino pesante. Questa configurazione, nota come modello a due doppietti di Higgs neutrinofili, permette ai neutrini pesanti di esistere a una scala di energia molto più bassa di quanto precedentamente ritenuto possibile, portandoli alla portata degli attuali e futuri esperimenti di particelle. Per rendere il modello predittivo e per spiegare i pattern specifici con cui i neutrini cambiano identità mentre viaggiano, i ricercatori hanno imposto una specifica simmetria matematica al sistema. Questa simmetria agisce come un insieme rigoroso di regole che detta come le particelle possano interagire, costringendo il modello a produrre un pattern molto specifico di miscelazione dei neutrini noto come miscelazione Trimaximale.

Eseguendo calcoli dettagliati all'interno di questo quadro, i ricercatori hanno scoperto che il loro modello riproduce con successo le proprietà osservate dei neutrini, incluse le loro masse e gli angoli con cui si miscelano. Il modello predice che il neutrino più leggero abbia una massa quasi nulla, mentre gli altri due abbiano masse che si inseriscono perfettamente nell'intervallo misurato dagli esperimenti globali. Una previsione particolarmente sorprendente riguarda la massa effettiva del neutrino, un valore che determina quanto sia probabile che la particella subisca un processo raro chiamato decadimento doppio beta senza neutrini. Il modello suggerisce che questo valore sia estremamente piccolo, compreso tra 4 e 5 millesimi di un miliardesimo di grammo. Questo è significativamente inferiore ai limiti di sensibilità degli esperimenti attuali, il che significa che anche i nostri rilevatori più avanzati non sono ancora abbastanza potenti da vedere questo segnale, sebbene futuri esperimenti più grandi possano eventualmente essere in grado di sondare questo intervallo minuscolo.

Lo studio ha anche indagato se questo quadro potesse spiegare l'origine dello squilibrio materia-antimateria. Nell'universo primordiale, i neutrini pesanti introdotti nel modello sarebbero decaduti e, grazie alle specifiche interazioni consentite dalla nuova simmetria, questi decadimenti avrebbero potuto produrre un leggero eccesso di leptoni, una famiglia di particelle che include elettroni e neutrini. Questo eccesso di leptoni sarebbe stato poi convertito nell'eccesso di materia che vediamo oggi. I ricercatori hanno dimostrato che questo processo, noto come leptogenesi, può funzionare efficacemente anche con i neutrini pesanti che esistono a una scala di energia relativamente bassa di circa 10 TeV, che è molto più accessibile rispetto ai trilioni di elettronvolt richiesti dalle teorie più vecchie. Hanno dimostrato che, bilanciando attentamente le masse delle nuove particelle e la forza delle loro interazioni, il modello può generare esattamente la quantità di asimmetria della materia osservata oggi nell'universo.

Tuttavia, il modello non è privo di vincoli. I ricercatori hanno dovuto assicurarsi che le nuove particelle e forze introdotte non violassero i noti limiti sperimentali, in particolare quelli riguardanti processi rari in cui un tipo di leptone carico si trasforma in un altro, come un muone che si trasforma in un elettrone e un fotone. I loro calcoli hanno mostrato che la forza delle interazioni nel loro modello è abbastanza debole da soddisfare questi rigorosi limiti sperimentali, che sono attualmente stabiliti dalla collaborazione MEG. Lo studio conclude che questa specifica disposizione di particelle e simmetrie offre una spiegazione coerente e testabile sia per la natura della massa del neutrino che per l'esistenza della materia nell'universo. Esso fornisce una via chiara da seguire, collegando le previsioni teoriche con le possibilità sperimentali, e suggerisce che le risposte a queste domande cosmiche possano trovarsi appena oltre la portata dei nostri attuali strumenti, in attesa di essere scoperte nei prossimi esperimenti di fisica delle particelle.