[論文レビュー] A Common Origin for all CP Violations

G.C. Branco, P. A. Parada+1 more|ArXiv.org|Jul 8, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、すべてのCP対称性の破れ—クォークおよびレプトン系におけるCP対称性の破れ、レプトゲネシス、そして強いCP問題—が、1つの複素スカラーシングレットの真空期待値位相に起因する最小モデルを提案する。高エネルギーにおける自発的CP対称性の破れを通じて、この位相はCKM行列およびMNS行列における低エネルギーでのCP対称性の破れを生成し、妥当なレプトゲネシスを可能にするとともに、Z₄対称性を介してネルソン＝バーレス解法を実現し、すべてのCP対称性の破れ現象を1つの起源に統一する。

ABSTRACT

We put forward the conjecture that all CP violating phenomena may have a common origin. In order to illustrate our idea, we present a minimal model where CP is spontaneously broken at a high energy scale, through the phase in the vacuum expectation value of a complex scalar singlet. This single phase is the origin of both low energy CP violation in the quark and leptonic sectors, as well as leptogenesis. We also show that in this framework the strong CP problem may be solved in a simple way through the introduction of a Z_4 symmetry which allows for the implementation of the Nelson-Barr mechanism.

研究の動機と目的

• すべての観測されたCP対称性の破れ現象—クォークおよびレプトン系におけるCP対称性の破れ、レプトゲネシス、強いCP問題—が、1つの起源に起因するかどうかを調査すること。
• 複素スカラー・シングレットが真空位相を持つことで、自発的CP対称性の破れを実現する、標準模型の最小限の拡張を構築すること。
• この1つの位相が、ベクトル型クォークを通じてCKM行列におけるCP対称性の破れを生成し、右隣のニュートリノを通じてMNS行列におけるCP対称性の破れを生成することを示すこと。
• このモデルが自然に妥当なレプトゲネシスを支持し、Z₄対称性を介して強いCP問題を解決できることを示すこと。
• 低エネルギーでのCP対称性の破れ、バリオジェネシス、強いCP保存のメカニズムを、1つの動的枠組みで統一すること。

提案手法

• 複素スカラー・シングレット S を導入し、その真空期待値を ⟨S⟩ = V/√2 exp(iα) と定義する。ここで α がCP対称性の破れの唯一の源である。
• 標準模型に、ベクトル型クォーク D⁰ および右隣のニュートリノ νᴿ⁰ を3つ追加し、S とのヤコビ係数カップリングを導入して、複素質量項を生成する。
• S → -S、D⁰ → -D⁰、およびレプトン場 → i 倍の変換の下で不変となる Z₄ 対称性を導入し、ヤコビ係数カップリングを実数に保ち、ラグランジアンにおけるCP対称性を保存する。
• 複素右隣ニュートリノ質量を用いたシー・スイッチ・メカニズムにより、複素有効マジョナーニ質量行列 m を生成し、これがレプトゲネシスを駆動する。
• 重いマジョナーニ・ニュートリノの崩壊からレプトン非対称性を導出し、Aⱼ ∝ Im[(m†m)ⱼⱼ] × I(xₖ) の式を用いて、崩壊振幅におけるCP対称性の破れを示す。
• 選択された基底において (mm†) が実行列であることを示し、デゲネレート極限において電気双極子モーメントとレプトンフラバー非保存崩壊が抑制されることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複素スカラー・シングレットの真空期待値位相における1つのCP対称性の破れ位相が、クォークおよびレプトン系におけるすべての観測されたCP対称性の破れ現象を生成できるか？
• RQ2 このモデルは、同時に低エネルギーでのCP対称性の破れ（ニュートリノ振動で検出可能）を生じさせつつ、妥当なレプトゲネシスを可能にするか？
• RQ3 この枠組みにおいて、ネルソン＝バーレス機構のような単純な対称性機構によって強いCP問題を解決できるか？
• RQ4 スカラー・シングレットの真空位相以外に追加の複素位相を導入せずに、CKM行列におけるCP対称性の破れを実現することは可能か？
• RQ5 このモデルの物性的結果、特にレプトンフラバー非保存過程および電気双極子モーメントにおいて何が生じるか？

主な発見

• ベクトル型クォーク D⁰ が複素スカラー・シングレットとカップリングすることで、CKM行列におけるCP対称性の破れが生成され、位相 α がCP対称性の破れの唯一の源である。
• 右隣ニュートリノの複素質量行列 m が非ゼロの虚部を持つため、(m†m) の虚部が非ゼロとなり、レプトン非対称性が生成される。
• 一般に有効マジョナーニ質量行列 m_eff は複素であるため、MNS行列におけるCP対称性の破れが保証され、ニュートリノ振動における低エネルギーでのCP対称性の破れが実現される。
• 重いニュートリノ質量がデゲネレートしている極限において、行列 (mm†) は実行列となり、電気双極子モーメントが消え、レプトンフラバー非保存崩壊が抑制される。
• Z₄ 対称性により、強いCP問題に対するネルソン＝バーレス型の解決策が可能となり、量子レベルでQCDのθ項がゼロになる。
• このモデルは、クォークおよびレプトン系におけるCP対称性の破れ、レプトゲネシス、強いCP保存—すべてのCP対称性の破れ現象—を、1つの基本的位相 α に統一する。