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

Het universum is gevuld met materie, van de sterren boven ons tot de atomen in ons eigen lichaam, maar het is een diep mysterie waarom deze materie überhaupt bestaat. Volgens de meest fundamentele natuurwetten zou de oerknal gelijke hoeveelheden materie en antimaterie moeten hebben geproduceerd, die elkaar onmiddellijk zouden hebben geannihileerd, waardoor er niets anders dan een kosmos van pure energie over zou blijven. Het feit dat wij hier zijn, omringd door een universum van sterren en planeten, impliceert dat een kleine, onverklaarbare onbalans de schaal heeft doen doorslaan in het voordeel van materie miljarden jaren geleden. Natuurkundigen zoeken al lang naar het mechanisme achter deze overleving, zoekend naar een proces dat een klein overschot aan materie boven antimaterie kon genereren in het vroege universum. Tegelijkertijd is er een ander diep raadsel ontstaan: neutrino's, spookachtige deeltjes die door alles heen stromen, werden lang als massaloos beschouwd, maar experimenten hebben bewezen dat ze een minuscule, ongrijpbare massa bezitten. Begrijpen hoe deze deeltjes massa verkrijgen en hoe zij mogelijk de creatie van materie hebben gedreven, zijn twee zijden van dezelfde munt, en het oplossen van het een zou de geheimen van het ander kunnen ontsluiten.

Een team van onderzoekers heeft een nieuw theoretisch kader voorgesteld dat probeert beide mysteries tegelijkertijd op te lossen. Ze hebben een aangepaste versie van het Standaardmodel geconstrueerd, het regelboek dat alle bekende deeltjes en krachten beschrijft, door een paar specifieke ingrediënten toe te voegen. De kern van hun idee behelst het introduceren van een tweede type Higgsveld, een veld dat deeltjes massa geeft, dat zeer zwak interageert met gewone materie maar sterk met een nieuw type zwaar neutrino. Deze opstelling, bekend als een neutrinofiele twee-Higgs-dubbelmodel, maakt het mogelijk dat de zware neutrino's op een veel lagere energieschaal bestaan dan voorheen mogelijk werd geacht, waardoor ze binnen het bereik van huidige en toekomstige deeltjesexperimenten komen. Om het model voorspellend te maken en om de specifieke patronen te verklaren waarin neutrino's van identiteit veranderen terwijl ze reizen, hebben de onderzoekers een specifieke wiskundige symmetrie op het systeem opgelegd. Deze symmetrie werkt als een strikte set regels die bepaalt hoe de deeltjes kunnen interageren, wat het model dwingt een zeer specifiek patroon van neutrino-menging te produceren, bekend als Trimaximale menging.

Door gedetailleerde berekeningen binnen dit kader uit te voeren, vonden de onderzoekers dat hun model de waargenomen eigenschappen van neutrino's succesvol reproduceert, inclusief hun massa's en de hoeken waaronder ze mengen. Het model voorspelt dat het lichtste neutrino een massa van bijna nul heeft, terwijl de andere twee massa's hebben die perfect binnen het bereik passen dat door wereldwijde experimenten is gemeten. Een bijzonder opvallende voorspelling betreft de effectieve massa van het neutrino, een waarde die bepaalt hoe waarschijnlijk het is dat het deeltje een zeldzaam proces ondergaat dat neutrinoless dubbele bèta-verval wordt genoemd. Het model suggereert dat deze waarde extreem klein is, tussen de 4 en 5 miljoenste van een miljardste van een gram. Dit is aanzienlijk lager dan de gevoeligheidsgrenzen van huidige experimenten, wat betekent dat zelfs onze meest geavanceerde detectoren nog niet krachtig genoeg zijn om dit signaal te zien, hoewel toekomstige, grotere experimenten uiteindelijk in staat kunnen zijn om deze minuscule range te verkennen.

De studie onderzocht ook of dit kader de oorsprong van de materie-antimaterie-onbalans kon verklaren. In het vroege universum zouden de geïntroduceerde zware neutrino's in het model zijn vervallen, en door de specifieke interacties die door de nieuwe symmetrie worden toegestaan, zouden deze vervallen een klein overschot aan leptonen hebben kunnen produceren, een familie van deeltjes die elektronen en neutrino's omvat. Dit leptonenoverschot zou vervolgens zijn omgezet in het overschot aan materie dat we vandaag de dag zien. De onderzoekers hebben aangetoond dat dit proces, bekend als leptogenese, effectief kan werken, zelfs met de zware neutrino's die in het model op een relatief lage energieschaal van ongeveer 10 TeV bestaan, wat veel toegankelijker is dan de biljoenen elektronvolt die oudere theorieën vereisen. Ze toonden aan dat door de massa's van de nieuwe deeltjes en de sterkte van hun interacties zorgvuldig af te stemmen, het model exact de hoeveelheid materie-asymmetrie kan genereren die we vandaag de dag in het universum waarnemen.

Het model is echter niet zonder beperkingen. De onderzoekers moesten ervoor zorgen dat de nieuwe deeltjes en krachten die zij introduceerden, geen bekende experimentele limieten schonden, met name die betreffende zeldzame processen waarbij één type geladen lepton transformeert in een ander, zoals een muon die verandert in een elektron en een foton. Hun berekeningen toonden aan dat de sterkte van de interacties in hun model zwak genoeg is om aan deze strikte experimentele grenzen te voldoen, die momenteel worden vastgesteld door de MEG-collaboratie. De studie concludeert dat deze specifieke ordening van deeltjes en symmetrieën een coherente en testbare verklaring biedt voor zowel de aard van de neutrino-massa als het bestaan van materie in het universum. Het biedt een duidelijk pad vooruit, door theoretische voorspellingen te koppelen aan experimentele mogelijkheden, en suggereert dat de antwoorden op deze kosmische vragen zich net buiten het bereik van onze huidige instrumenten bevinden, wachtend om ontdekt te worden in de volgende generatie deeltjesfysica-experimenten.