Majorana中微子的味结构与轻子数破坏效应

The fact that neutrinos are slightly massive and leptons are significantly mixed has been established in a series of convincing neutrino oscillation experiments. From a theoretical point of view, massive neutrinos are most likely the Majorana particles, which can mediate the lepton-number-violating processes. The present research project aims to carry out an in-depth study of the properties of Majorana neutrinos in the following three aspects: (1) Possible structures of the Majorana neutrino mass matrix and underlying flavor symmetries, mechanisms of flavor symmetry breaking and various CP-violating effects; (2) Effects of neutrino masses and CP-violating phases on the neutrinoless double-beta decays and other lepton-number-violating processes, and possible ways to constrain and even determine the former from the latter; (3) A link between model building at high energy scales and low-energy observables via the renormalization-group equations, and impacts of such quantum corrections on flavor issues of Majorana neutrinos and their phenomenological consequences.

一系列令人信服的中微子振荡实验已经确立了中微子具有微小质量以及轻子间具有显著味混合的事实。从理论层面考虑，有质量的中微子更有可能是Majorana粒子，从而导致轻子数破坏的过程发生。确认中微子的Majorana属性是中微子物理学的最重要前沿课题之一。本项目将从如下三个方面开展针对Majorana中微子的深入研究：（1）Majorana中微子质量矩阵的可能结构及其背后潜在的味对称性与对称性破缺机制，以及Majorana相位可能导致的各种CP破坏效应；（2）中微子质量与CP破坏相位对无中微子的双贝塔衰变过程以及其他轻子数破坏过程的影响，以及如何通过针对后者的测量限制甚至确定前者；（3）建立高能标Majorana中微子的模型构造与低能标实验可观测量之间的重整化群演化关系，并研究此类量子效应对味结构本身及其唯象学后果的修正。

项目的背景：在一系列中微子振荡实验已经比较精确地测量了三代中微子的质量平方差和轻子混合角的大背景下，如何确定中微子的绝对质量标度、Majorana属性和CP不守恒相位，成为未来实验的关注点和理论研究重心。本项目旨在系统深入地研究Majorana中微子的质量起源问题、味结构问题和CP破坏问题，并将这些基本问题与中微子振荡、轻子味破坏和轻子数破坏的过程联系起来，包括与宇宙的物质和反物质不对称问题联系起来。..主要研究内容：（1）系统地研究了Majorana中微子质量矩阵的可能结构及其背后潜在的味对称性与对称性破缺机制；（2）结合目前和将来的中微子实验可能达到的灵敏度，探讨了中微子质量与CP破坏相位对带电轻子的辐射衰变过程、无中微子双贝塔衰变过程以及其他轻子数破坏过程的影响；（3）建立了高能标Majorana中微子的模型构造与低能标实验可观测量之间的重正化群演化关系，并计算了第一类跷跷板机制与低能中微子有效理论之间的单圈匹配性。..重要进展、成果及其科学意义：（1）利用现有的中微子振荡实验数据，系统地重建了Majorana中微子质量矩阵，探讨了其背后可能的最简单味对称性及其破缺效应。首次给出了针对inverse seesaw和linear seesaw机制的完整参数化方案；在国际著名综述期刊Physics Reports和Reports on Progress in Physics上分别发表了长篇综述文章。这些进展和成果对深入理解中微子的质量起源和轻子味混合机制的动力学很有帮助，相关的理论预言有望得到下一代中微子实验的部分检验。（2）在第一类跷跷板机制中深入研究了缪子衰变到电子和光子的轻子味破坏过程，指出了文献中最小幺正性破坏模型与完整跷跷板模型针对此过程的预言差异，由此修正了对轻子幺正多边形顶点的实验限制。（3）考虑单圈重正化群演化效应对Casas-Ibarra参数化的修正，发现了先前第一类跷跷板机制用于unflavored thermal leptogenesis机制所得到的一个no-go定理的漏洞，从而实现了低能标CP破坏效应与宇宙原初反物质消失问题之间的一种最简单联系。首次计算了第一类跷跷板理论与低能有效理论之间的单圈匹配性，理解了前面提到的最小幺正性破坏模型之所以与完整跷跷板机制的理论预言不相符的物理原因。