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

O universo está repleto de matéria, desde as estrelas acima até os átomos em nossos próprios corpos, mas é um mistério profundo o porquê de essa matéria existir de fato. De acordo com as leis mais fundamentais da física, o Big Bang deveria ter produzido quantidades iguais de matéria e antimatéria, que teriam se aniquilado instantaneamente, deixando para trás um cosmos de pura energia e nada mais. O fato de estarmos aqui, cercados por um universo de estrelas e planetas, implica que um desequilíbrio ínfimo e inexplicável inclinou a balança a favor da matéria bilhões de anos atrás. Físicos há muito buscam o mecanismo por trás dessa sobrevivência, procurando por um processo que pudesse gerar um pequeno excesso de matéria sobre a antimatéria no universo primordial. Ao mesmo tempo, outro enigma profundo surgiu: os neutrinos, partículas fantasmagóricas que atravessam tudo, foram por muito tempo considerados sem massa, mas experimentos provaram que eles possuem uma massa minúscula e elusiva. Compreender como essas partículas adquirem massa e como elas podem ter impulsionado a criação da matéria são dois lados da mesma moeda, e resolver um poderia desbloquear os segredos do outro.

Uma equipe de pesquisadores propôs um novo arcabouço teórico que tenta resolver ambos os mistérios simultaneamente. Eles construíram uma versão modificada do Modelo Padrão, o livro de regras que descreve todas as partículas e forças conhecidas, adicionando alguns ingredientes específicos. O núcleo de sua ideia envolve a introdução de um segundo tipo de campo de Higgs, um campo que dá massa às partículas, que interage muito fracamente com a matéria comum, mas fortemente com um novo tipo de neutrino pesado. Essa configuração, conhecida como modelo de dois dubletos de Higgs neutrinofílicos, permite que os neutrinos pesados existam em uma escala de energia muito mais baixa do que o anteriormente considerado possível, trazendo-os ao alcance de experimentos de partículas atuais e futuros. Para tornar o modelo preditivo e explicar os padrões específicos nos quais os neutrinos mudam sua identidade enquanto viajam, os pesquisadores impuseram uma simetria matemática específica ao sistema. Essa simetria atua como um conjunto rigoroso de regras que dita como as partículas podem interagir, forçando o modelo a produzir um padrão muito específico de mistura de neutrinos conhecido como mistura Trimaximal.

Ao realizar cálculos detalhados dentro deste arcabouço, os pesquisadores descobriram que seu modelo reproduz com sucesso as propriedades observadas dos neutrinos, incluindo suas massas e os ângulos nos quais se misturam. O modelo prevê que o neutrino mais leve tem uma massa quase nula, enquanto os outros dois têm massas que se ajustam perfeitamente à faixa medida por experimentos globais. Uma previsão particularmente marcante diz respeito à massa efetiva do neutrino, um valor que determina a probabilidade de a partícula sofrer um processo raro chamado decaimento duplo-beta sem neutrino. O modelo sugere que este valor é extremamente pequeno, situando-se entre 4 e 5 milionésimos de um bilionésimo de grama. Isso é significativamente inferior aos limites de sensibilidade dos experimentos atuais, o que significa que mesmo nossos detectores mais avançados ainda não são poderosos o suficiente para ver esse sinal, embora experimentos futuros, maiores, possam eventualmente ser capazes de sondar essa faixa minúscula.

O estudo também investigou se este arcabouço poderia explicar a origem do desequilíbrio entre matéria e antimatéria. No universo primordial, os neutrinos pesados introduzidos no modelo teriam decaído e, devido às interações específicas permitidas pela nova simetria, esses decaimentos poderiam ter produzido um leve excesso de léptons, uma família de partículas que inclui elétrons e neutrinos. Esse excesso de léptons seria então convertido no excesso de matéria que vemos hoje. Os pesquisadores demonstraram que esse processo, conhecido como leptogênese, pode funcionar efetivamente mesmo com os neutrinos pesados existindo em uma escala de energia relativamente baixa de cerca de 10 TeV, o que é muito mais acessível do que os trilhões de elétron-volts exigidos por teorias mais antigas. Eles mostraram que, ao equilibrar cuidadosamente as massas das novas partículas e a força de suas interações, o modelo pode gerar exatamente a quantidade de assimetria de matéria observada no universo hoje.

No entanto, o modelo não é isento de restrições. Os pesquisadores tiveram que garantir que as novas partículas e forças que introduziram não violassem limites experimentais conhecidos, particularmente aqueles relativos a processos raros onde um tipo de lépton carregado se transforma em outro, como um múon transformando-se em um elétron e um fóton. Seus cálculos mostraram que a força das interações em seu modelo é fraca o suficiente para satisfazer esses limites experimentais rigorosos, que são atualmente definidos pela colaboração MEG. O estudo conclui que este arranjo específico de partículas e simetrias oferece uma explicação coerente e testável tanto para a natureza da massa do neutrino quanto para a existência da matéria no universo. Ele fornece um caminho claro a seguir, ligando previsões teóricas a possibilidades experimentais, e sugere que as respostas para essas questões cósmicas podem estar logo além do alcance de nossos instrumentos atuais, esperando para serem descobertas na próxima geração de experimentos de física de partículas.