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

우주는 저 높은 곳의 별들부터 우리 몸속의 원자에 이르기까지 물질로 가득 차 있지만, 왜 이 물질이 존재하는가 하는 점은 심오한 미스터리입니다. 가장 근본적인 물리학 법칙에 따르면, 빅뱅은 물질과 반물질을 동일한 양으로 생성했어야 하며, 이들은 즉각적으로 서로 쌍소멸하여 순수한 에너지와 그 외에는 아무것도 남기지 않았어야 합니다. 우리가 별과 행성들로 둘러싸인 우주에 존재한다는 사실은, 수십억 년 전 초기에 아주 작은, 설명되지 않은 불균형이 물질 쪽으로 무게를 기울였음을 의미합니다. 물리학자들은 초기 우주에서 반물질보다 물질이 약간 더 많아지게 만드는 메커니즘을 찾기 위해 오랫동안 이 생존의 과정을 추적해 왔습니다. 동시에 또 다른 깊은 난제가 등장했습니다. 모든 것을 통과해 흐르는 유령 같은 입자인 중성미자는 오랫동안 질량이 없는 것으로 여겨졌으나, 실험을 통해 아주 미세하고 포착하기 어려운 질량을 가지고 있음이 증명되었습니다. 이 입자들이 어떻게 질량을 얻는지, 그리고 어떻게 물질의 생성을 유도했을 수 있는지를 이해하는 것은 동전의 양면과 같으며, 하나를 해결하는 것이 다른 하나의 비밀을 푸는 열쇠가 될 수 있습니다.

한 연구팀은 이 두 가지 미스터리를 동시에 해결하고자 하는 새로운 이론적 틀을 제안했습니다. 그들은 알려진 모든 입자와 힘을 설명하는 규칙서인 표준 모형에 몇 가지 특정한 재료를 추가하여 이를 변형된 형태로 구축했습니다. 그들의 아이디어의 핵심은 입자에 질량을 부여하는 힐스 장(Higgs field)의 두 번째 유형을 도입하는 것인데, 이 장은 일반 물질과는 매우 약하게 상호작용하지만 새로운 종류의 무거운 중성미자와는 강하게 상호작용합니다. '중성미자 친화적 이중 힐스 모델(neutrinophilic two Higgs doublet model)'로 알려진 이 설정은 무거운 중성미자가 기존에 가능하다고 생각되었던 것보다 훨씬 낮은 에너지 스케일에서 존재할 수 있게 하여, 현재 및 미래의 입자 실험 범위 안으로 가져옵니다. 모델의 예측력을 높이고 중성미자가 이동하며 정체성을 바꾸는 특정한 패턴을 설명하기 위해, 연구진은 시스템에 특정한 수학적 대칭성을 부여했습니다. 이 대칭성은 입자들이 어떻게 상호작용할지를 규정하는 엄격한 규칙처럼 작용하여, 모델이 '트리맥시멀 혼합(Trimaximal mixing)'이라 불리는 매우 구체적인 중성미자 혼합 패턴을 생성하도록 강제합니다.

이 프레임워크 내에서 상세한 계산을 수행한 결과, 연구진의 모델은 중성미자의 질량과 혼합 각도를 포함하여 관측된 중성미스의 특성을 성공적으로 재현해 냈습니다. 이 모델은 가장 가벼운 중성미자의 질량이 거의 0에 가깝다고 예측하는 한편, 나머지 두 중성미자는 전 세계 실험에서 측정된 범위 내에 완벽하게 부합하는 질량을 갖는다고 예측합니다. 특히 눈에 띄는 예측은 중성미자의 유효 질량에 관한 것인데, 이 값은 중성미자가 '중성미자 없는 이중 베타 붕괴'라고 불리는 희귀한 과정을 일으킬 확률을 결정합니다. 모델은 이 값이 매우 작아서 40억 분의 1그램의 4에서 5 사이의 수준이라고 제안합니다. 이는 현재 실험들의 민감도 한계보다 현저히 낮은 수치로, 우리의 가장 진보된 탐지기들조차 아직 이 신호를 포착할 만큼 강력하지 않음을 의미하지만, 향후 더 큰 규모의 실험들이 결국 이 미세한 범위를 조사할 수 있을지도 모릅니다.

또한 이 연구는 이 프레임워크가 물질과 반물질의 불균형의 기원을 설명할 수 있는지 조사했습니다. 초기 우주에서 모델에 도입된 무거운 중성미자들이 붕괴했을 때, 새로운 대칭성에 의해 허용된 특정한 상호작용 덕분에 경입자(lepton)의 미세한 과잉을 생성할 수 있었습니다. 경입자는 전자와 중성미자를 포함하는 입자 가족입니다. 이 경입자의 과잉은 오늘날 우리가 보는 물질의 과잉으로 전환될 수 있습니다. 연구진은 이 과정, 즉 '렙토제네시스(leptogenesis)'가 기존 이론들이 요구했던 수조 전자볼트보다 훨씬 접근하기 쉬운 약 10 TeV의 상대적으로 낮은 에너지 스케일에서도 효과적으로 작동할 수 있음을 입증했습니다. 그들은 새로운 입자들의 질량과 상호작용의 세기를 정밀하게 조절함으로써, 오늘날 우주에서 관측되는 정확한 양의 물질 비대칭성을 생성할 수 있음을 보여주었습니다.

그러나 이 모델에 제약이 없는 것은 아닙니다. 연구진은 자신들이 도입한 새로운 입자와 힘이, 예를 들어 뮤온이 전자와 광자로 변하는 것과 같이 한 종류의 하전 경입자가 다른 종류로 변하는 희귀한 과정과 관련된 기존의 실험적 한계를 위반하지 않도록 보장해야 했습니다. 그들의 계산에 따르면, 모델 내 상호작용의 세기는 현재 MEG 협회에 의해 설정된 엄격한 실험적 경계 조건을 충족할 만큼 충분히 약합니다. 연구는 이 특정한 입자 배열과 대칭성이 중성미자 질량의 본질과 우주의 물질 존재에 대한 일관되고 검증 가능한 설명을 제공한다고 결론짓습니다. 이는 이론적 예측과 실험적 가능성을 연결하는 명확한 경로를 제공하며, 이 우주적 질문들에 대한 답이 바로 우리 현재의 도구들이 닿을 수 있는 곳 바로 너머, 다음 세대의 입자 물리학 실험에서 발견되기를 기다리고 있음을 시사합니다.