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

宇宙は、遥か高みの星々から私たちの体内の原子に至るまで、物質で満たされていますが、なぜこの物質が存在するのかという点は、極めて深遠な謎です。物理学の最も基本的な法則によれば、ビッグバンは物質と反物質を同量生成したはずであり、それらは即座に互いに消滅し合い、純粋なエネルギー以外の何も残さないはずでした。私たちがここに存在し、星や惑星に囲まれているという事実は、数十億年前の初期宇宙において、わずかな、説明のつかない不均衡が天秤を物質側に傾けたことを示唆しています。物理学者たちは、宇宙におけるこの生存のメカニズムを求めて長年研究を続けてきました。すなわち、初期宇宙において反物質に対して物質のわずかな過剰を生み出すプロセスを探しているのです。同時に、もう一つの深い謎も浮上しています。あらゆるものを通り抜ける幽霊のような粒子であるニュートリノは、長い間質量を持たないと考えられてきましたが、実験によって、それらが微小で捉えがたい質量を持つことが証明されました。これらの粒子がいかにして質量を獲得したのか、そしてそれらがどのように物質の生成を駆動したのかを理解することは、コインの両面のようなものであり、一方を解明することがもう一方の秘密を解き明かす鍵となる可能性があります。

ある研究チームは、これら両方の謎を同時に解決しようとする新しい理論的枠組みを提案しました。彼らは、既知のすべての粒子と力を記述するルールブックである標準模型に、いくつかの特定の要素を加えることで、その改訂版を構築しました。彼らのアイデアの核心は、粒子の質量を与える場である「ヒッグス場」の第二の型を導入することにあります。この場は通常の物質とは非常に弱く相互作用しますが、新しい種類の重いニュートリノとは強く相互作用します。「ニュートリノ親和的二重ヒッグス・モデル」として知られるこの設定により、重いニュートリノは以前考えられていたよりもはるかに低いエネルギー・スケールで存在することが可能となり、現在および将来の粒子実験の射程圏内に入ることになります。このモデルに予測可能性を持たせ、ニュートリノが移動する際にアイデンティティを変化させる特定のパターンを説明するために、研究者たちはシステムに特定の数学的対称性を課しました。この対称性は、粒子がどのように相互作用できるかを規定する厳格なルールのセットとして機能し、モデルに「トリマックスimal（最大混合）混合」として知られる非常に特定のニュートリノ混合パターンを生じさせます。

この枠組みの中で詳細な計算を行った結果、研究者たちは、彼らのモデルがニュートリノの質量や混合角を含む観測された特性をうまく再現することを発見しました。このモデルは、最も軽いニュートリノの質量がほぼゼロであることを予測しており、他の二つのニュートリノは、世界的な実験によって測定された範囲内に完璧に収まる質量を持っています。特に注目すべき予測は、ニュートリノの有効質量に関するものです。この値は、ニュートリノが「無ニュートリノ二重ベータ崩壊」と呼ばれる稀なプロセスを起こす確率を決定します。モデルによれば、この値は極めて小さく、10億分の1グラムの400万分の4から5のうちの数百万分の数という範囲に収まります。これは現在の実験の感度限界よりも大幅に低いため、私たちの最も高度な検出器であっても、まだこの信号を見るには強力さが足りません。しかし、将来のより大規模な実験が、最終的にこの微小な範囲を調査できる可能性があります。

また、この研究は、この枠組みが物質と反物質の不均衡の起源を説明できるかどうかについても調査しました。初期宇宙において、モデルに導入された重いニュートリノは崩壊しましたが、新しい対称性によって許容される特定の相互作用により、これらの崩壊はレプトン（電子やニュートリノを含む粒子の家族）のわずかな過剰を生み出した可能性があります。このレプトンの過剰が、今日私たちが見ている物質の過剰へと変換されたのです。研究者たちは、このプロセス（レプトジェネシスとして知られる）が、重いニュートリノが約10 TeVという比較的低いエネルギー・スケールに存在する場合でも効果的に機能することを実証しました。これは、古い理論が要求する数兆電子ボルトよりもはるかにアクセスしやすいレベルです。彼らは、新しい粒子の質量と相互作用の強さを注意深く調整することで、モデルが今日宇宙に見られるのと正確に同じ量の物質の非対称性を生成できることを示しました。

しかし、このモデルには制約がないわけではありません。研究者たちは、導入した新しい粒子や力が、既知の実験的限界、特にミューオンが電子と光子に変化するといった、一種の荷電レプトンが別のものへと変化する稀なプロセスに抵触しないことを確認しなければなりませんでした。彼らの計算によれば、このモデルにおける相互作用の強さは、MEGコラボレーションによって設定されている厳格な実験的境界を満たすほど十分に弱いものです。本研究は、この特定の粒子配置と対称性が、ニュートリノの質量の性質と宇宙における物質の存在の両方に対して、一貫性があり検証可能な説明を提供することを結論付けています。それは、理論的な予測と実験的な可能性を結びつける明確な道筋を示しており、これらの宇宙的な問いへの答えが、現在の計器の手の届くすぐ先に、次世代の粒子物理学実験によって発見されるのを待っていることを示唆しています。