中微子质量产生和宇宙中物质起源

Various neutrino oscillation experiments have confirmed the neutrinos should be massive. However, the neutrinos are massless in the standard model. Furthermore, the cosmological observations have indicated that the neutrino masses should be below the eV scale. The generation of the tiny neutrino masses is a hot topic in particle physics. In the present universe, the matter contains the ordinary baryonic matter and the dark matter. The ordinary matter exists as a matter-antimatter asymmetry, i.e. there is no primordial antimatter. To realize the evolution from an early matter-antimatter symmetric universe to the present matter-antimatter asymmetric universe, we must have a dynamical baryogenesis mechanism. As for the dark matter, we even have less knowledge. In this project we will study the neutrino mass generation and the cosmic matter origin. In particular we will study some existent neutrino models and baryogensis mechanisms and explore other novel beryogensis mechanisms. We will also study and explore some interesting dark matter models including minimal dark matter, leptophilic dark matter, asymmetric dark matter and so on. In these models, the dark matter particles may play an essential role for the generation of neutrino mass and matter-antimatter asymmetry.

中微子振荡实验已经证实中微子有质量，然而在粒子物理标准模型里中微子是无质量的。另外，宇宙学观测显示中微子质量应该在电子伏特以下量级。微小中微子质量的产生是粒子物理的一个热点问题。在今天的宇宙中，物质包含普通重子物质和暗物质。普通物质是以物质-反物质不对称的形式存在的，即没有原初反物质。从早期正反物质对称的宇宙演化到今天正反物质不对称的宇宙，需要一个动力学的重子数产生机制来驱动。对暗物质，我们知道的更少。本项目将研究关于中微子质量产生和宇宙中物质起源的一些问题。特别，我们将深入研究已有的和积极探索新型的中微子模型和重子数产生机制。我们还将研究和探索一些暗物质模型，包括最小暗物质模型，轻子暗物质模型和不对称暗物质模型等。在这些模型中，暗物质粒子可能在产生中微子质量和正反物质不对称的过程中有着不可或缺的地位。

中微子质量、物质不对称和暗物质是粒子宇宙学中的三个重要课题。本项目将这三个课题结合在一起，开展了深入广泛持续的理论研究。项目执行期间（2017-2020），在European Physical Journal C，Nuclear Physics B，Journal of Cosmology and Astroparticle Physics，Journal of High Energy Physics，Physics Letters B，Physical Review D和Science China Physics, Mechanics & Astronomy等一流期刊出版学术论文17篇（其中唯一作者11篇，与国内外学者合作5篇，指导学生1篇），另有5篇唯一作者的预印本在投稿中，相信适当修改后可以出版。这些文章提出了一些较原创的想法。比如，轻子数产生机制和中微子质量产生机制的标度可以分离，从而可以得到TeV标度的可检验的中微子质量产生机制，同时可以在高标度自然地实现轻子数产生机制。又比如，马约拉纳中微子意味着轻子数破坏的引入，而狄拉克中微子则意味着右手中微子的引入，这种轻子数破坏或者右手中微子的引入可以自然地和暗物质粒子的性质联系起来。特别，暗物质费米子的存在、质量、稳定、湮灭和散射，与马约拉纳或狄拉克中微子质量产生所需的轻子数破环或右手中微子，可以用一个U(1)规范对称性同时解决。