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

宇宙充满了物质，从头顶的星辰到我们自身的原子，然而为什么这些物质会存在本身就是一个深刻的谜题。根据最基本的物理定律，大爆炸应该产生等量的物质和反物质，它们会瞬间相互湮灭，留下一个纯粹由能量组成的宇宙，除此之外别无他物。我们之所以能存在于此，被恒星和行星环绕，这意味着在数十亿年前，一种未被解释的微小失衡打破了天平，使物质占据了优势。物理学家长期以来一直在寻找这种生存机制背，试图寻找一种能在早期宇宙中产生物质略多于反物质的过程。与此同时，另一个深层的谜团也随之浮现：中微子——这种穿透一切的幽灵粒子——曾被认为是没有质量的，但实验证明它们拥有微小且难以捉摸的质量。理解这些粒子如何获得质量，以及它们如何可能驱动了物质的创造，是同一枚硬币的两面，解决其中一个问题就能解锁另一个问题的秘密。

一个研究小组提出了一个新的理论框架，试图同时解决这两个谜题。他们通过添加一些特定的成分，构建了一个修改版的标准模型（即描述所有已知粒子和力的规则手册）。其核心思想是引入第二种希格斯场（一种赋予粒子质量的场），该场与普通物质的相互作用非常微弱，但与一种新型重中微子的相互作用却很强。这种被称为“中微子亲和双希格斯双重态模型”的设定，使得重中微子能够以比此前认为的可能性更低的能量尺度存在，从而使其进入当前及未来粒子实验的研究范围。为了使该模型具有预测性，并解释中微子在传播过程中改变身份的具体模式，研究人员在该系统中施加了一种特定的数学对称性。这种对称性就像一套严格的规则，规定了粒子可以如何相互作用，迫使模型产生一种被称为“三极大混合”（Trimaximal mixing）的特定中微子混合模式。

通过在该框架内进行详细的计算，研究人员发现他们的模型成功地重现了中微子的观测特性，包括它们的质量和混合角度。该模型预测最轻的中微子质量接近于零，而其他两个中微子的质量则完美符合全球实验测得的范围。一个特别引人注目的预测涉及中微子的有效质量，这个数值决定了粒子发生一种被称为“无中微子双贝塔衰变”的罕见过程的可能性。该模型表明，这一数值极小，处于每十亿分之一克中的 4 到 5 百万分之一之间。这显著低于当前实验的灵敏度极限，意味着即使是我们最先进的探测器也还不足以捕捉到这一信号，尽管未来的大型实验最终可能能够探测到这一微小的范围。

该研究还调查了这一框架是否能够解释物质-反物质失衡的起源。在早期宇宙中，模型中引入的重中微子会发生衰变，由于新对称性所允许的特定相互作用，这些衰变可以产生轻子的微量过剩，轻子是包括电子和中微子在内的粒子家族。这种轻子过剩随后会被转化为我们今天看到的物质过剩。研究人员证明，这种被称为“轻子生成”（leptogenesis）的过程即使在重中微子处于约 10 TeV 这一相对较低的能量尺度时也能有效运作，这比旧理论所要求的数万亿电子伏特要容易实现得多。他们展示了通过仔细平衡新粒子的质量和相互作用强度，该模型可以产生与当今宇宙观察到的完全一致的物质不对称性。

然而，该模型并非没有约束。研究人员必须确保他们引入的新粒子和新力不会违反已知的实验限制，特别是关于一种带电轻子转化为另一种轻子的罕见过程，例如μ子转变为电子和光子。他们的计算表明，该模型中的相互作用强度足够弱，足以满足目前由 MEG 合作组设定的严格实验界限。研究结论指出，这种特定的粒子排列和对称性方案，为中微子质量的本质和宇宙中物质的存在提供了一个连贯且可验证的解释。它提供了一条清晰的前进路径，将理论预测与实验可能性联系起来，并暗示这些宇宙问题的答案可能就在我们当前仪器的触及范围之外，等待着在下一代粒子物理实验中被发现。