中微子质量起源的唯象学研究

中微子振荡实验提供了存在超越粒子物理标准模型的新物理的唯一证据：中微子有微小质量，轻子的弱作用有代混合。虽然有效场论的seesaw机制能解释微小质量，其起源仍是个未知数。近几年，受天体观测方面的进展和对高能对撞机实验的预期的推动，如何实现相对低能标下的seesaw成为一个热点课题。本项目从简单但仍包含丰富物理现象的seesaw模型出发，结合质量的辐射产生机制，系统研究模型的参数结构、低能物理过程对物理参数的限制。在此基础上，研究在高能对撞机上甑别质量产生机制的可能物理过程，以及通过leptogenesis产生宇宙中重子数不对称性、中性重粒子作为暗物质的可行性。本项目还将探讨实现中微子微小质量的新的可能途径。

中微子有非简并的微小质量，它们与轻子的弱作用存在味混合。该微小质量在标准模型中难以自然地产生，很可能来自高能标的物理机制。本项目围绕中微子质量产生机制这一课题，展开了较系统研究。主要结果如下。（1）中微子质量产生机制一般伴随有带电轻子的效应。利用已有实验对带电轻子味改变跃迁的上限，研究了对两类机制的限制。在第一类机制中，中微子与带色量子数的重粒子作用获得辐射质量。我们给出了一个方便的Yukawa耦合矩阵参数化方案，发现存在参数空间，在mu子衰变符合实验上限前提下，tau衰变可接近目前的实验精度，并指出，由于Yukawa耦合本身并不太小，该区间也是LHC物理应该关注的区域。第二类机制相当于一个量纲为7的seesaw。我们发现：mu子实验数据的很强限制，使得tau轻子的味改变衰变在近期实验中难以看到。（2）在作为低能有效理论的标准模型中，领头的中微子质量算符只有一个，量纲为5，相应机制的能标太高难以检测，即：可观测性要求更高量纲的算符。我们发现，在各量纲水平，质量算符都是唯一的。如果低能有效理论包括两个Higgs二重态，唯一性不再成立。我们列出了量纲5、7、9的所有质量算符及量纲7的相关算符，简要分析了其效应，利用实验数据可以反过来约束这些有效算符。（3）我们提出了级联seesaw机制实现高量纲质量算符。该机制引入一个费米子场及一组标量场。规范对称性使得只有弱同位旋最高的标量场与费米子有Yukawa耦合，而只有弱同位旋最低的标量场可以直接获得一个自然小的真空期望值。后者通过标量场之间的相互作用，通过级联过程逐个传递给弱同位旋较高的标量场，从而诱导出量纲为5+4n的质量算符。级联过程的每一步都会带来压低，而且不需要人为假设整体对称性来禁戒低量纲算符。该机制有丰富的现象，应该可以在LHC上检验。（4）最近关于Higgs粒子双光子衰变宽度计算的争论，使得在一般Rξ规范及幺正规范做计算成为一个现实的物理问题，我们研究了相应的中微子课题。中微子呈电中性，与电磁场通过量子效应发生相互作用。我们在单圈水平，严格检验了Dirac型中微子电荷为零、计算了其磁矩，证实了二者与规范选取（Rξ规范，幺正规范）无关。