中微子与标准模型扩展的一些研究

论文摘要

在这篇论文中,我们将强调中微子在理解基础物理中的重要作用。回顾历史,中微子的发现导致了第一个弱作用理论,即贝塔衰变理论。参与弱过程的中微子的奇特的手征性,导致了弱作用中宇称不守恒的观念,使得人们了解到对称是可以被破坏的,这加速形成了我们关于对称性如何在物理的基本原理中起作用的认识。对称性是可以破缺的,弱作用中CP对称性是破坏的;真空也可以没有理论应有的一些对称性,这奠定了我们用规范原理描述相互作用的基础之一。虽然现在几乎所有粒子物理的实验数据都能在标准模型中得到较好的解释,但中微子振荡却是个例外,这要求我们超越现有的标准模型。中微子是研究如何扩展标准模型的一条现象学线索。将中微子振荡数据容纳到一个基于MNS矩阵的准标准模型中去只是一个开始。如果要将中微子质量容纳到基本理论中去必须走出标准模型,至少因为三点原因,（1）没有右手中微子,（2）仅有希格斯二重态,（3）仅有可重整的质量项。当放弃其中一条或多条,就导致了扩展标准模型的多种可能性。我们研究了一些可能性及其现象学上的限制,包括中微子质量和混合,通过轻子生成机制带来的的宇宙正反物质不对称,以及对撞机上的轻子味破坏的稀有衰变等。我们提出一种新的产生小的中微子质量的机制,其中我们发现在左右对称模型中在希格斯势的弱耦合极限下的一个重整化不动点,在这个不动点附近小中微子质量自然的来自于第一型和第二型seesaw机制的相消,而不像通常的seesaw那样来自很重的粒子质量的压低效应。于是引入的右手中微子质量的下限被放宽,可以是O（10）TeV的量级,能够在将来的对撞机,像LHC,上检验。对现有标准模型更深刻的扩展来自对于轻子部分tri-bimaximal混合的结构以及粒子的味结构及其来源的理解。标准模型中大量的自由参数来源于质量与混合等味参数,虽然其中很多逐渐得到测量甚至精确测量,但是要理解如此众多自由的味参数是对我们智力上的巨大挑战。对于轻子部分,目前讨论较多的途径是引入所谓的味对称性来减少自由参数的个数。在此框架下,我们通过将A4味对称性嵌入左右对称模型,讨论了我们提出的相消机制的三味的情况,成功地得到了轻子部分tri-bimaximal混合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 第2章 标准模型中的中微子
• 2.1 规范理论
• 2.2 弱作用简史
• 2.2.1 中微子的发现
• 2.2.2 四费米相互作用
• 2.2.3 宇称不守恒
• 2.2.4 V-A 理论
• 2.2.5 CP 破坏与CKM 矩阵
• 2.3 温伯格-萨拉姆模型
• 2.3.1 自发对称破缺与希格斯（Higgs）机制
• 2.3.2 电弱统一（electroweak Unification）
• 2.3.3 规范玻色子的质量
• 2.3.4 费米子质量与汤川耦合（Yukawa coupling）
• 第3章 中微子的准标准模型扩展
• 3.1 中微子振荡理论
• 3.1.1 真空振荡
• 3.1.2 物质中的振荡与MSW 共振
• 3.2 实验证据
• 3.2.1 太阳中微子
• 3.2.2 大气中微子
• 3.2.3 实验室中微子实验
• 3.3 中微子振荡数据与MNS 矩阵
• 第4章 扩展标准模型的一些可能性
• 4.1 路线图
• 4.2 LSND？
• 4.3 Dirac 还是Majorana?
• 4.4 Higgs 三重态，seesaw 机制，圈图机制，相消机制？
• 4.4.1 Higgs 三重态
• 4.4.2 seesaw 机制
• 4.4.3 圈图机制
• 4.4.4 相消机制
• 4.5 精确的三双最大混合？
• 4.6 味对称性？
• 第5章 扩展标准模型的现象学限制
• 5.1 中微子质量和混合
• 5.2 正反物质不对称与轻子生成（Leptogenesis）
• 5.3 轻子味破坏
• 第6章 扩展标准模型与seesaw 机制的自然性
• 6.1 框架：左右对称模型
• 6.2 希格斯势
• 6.3 seesaw 的辐射稳定性
• 第7章 扩展标准模型的味对称群的嵌入
• 4 分立对称性'>7.1 A₄分立对称性
• LR（?）A₄'>7.2 三双最大混合与G_LR（?）A₄
• 第8章 结论
• 附录：弗里德堡-李政道平移味对称性
• 参考文献
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
• 致谢