[論文レビュー] Baryogenesis -- 40 Years Later

W. Buchmüller|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用数 23

ひとこと要約

この論文は、40年間にわたりバリオゲネシス理論の進化をレビューし、電弱バリオゲネシス、レプトゲネシス、およびアフレック＝ダインメカニズムに焦点を当てる。電弱バリオゲネシスは、LEPのヒッグス粒子質量制限により、標準模型では除外されるが、熱的レプトゲネシスは、10⁻³–0.1 eVの狭いニュートリノ質量窓内でのみ成立する。また、フレーバー効果がバリオン非対称性を顕著に増幅させ、軽いニュートリノ質量に対する制約を緩和する。

ABSTRACT

The classical picture of GUT baryogenesis has been strongly modified by theoretical progress concerning two nonperturbative features of the standard model: the phase diagram of the electroweak theory, and baryon and lepton number changing sphaleron processes in the high-temperature symmetric phase of the standard model. We briefly review three viable models, electroweak baryogenesis, the Affleck-Dine mechanism and leptogenesis and discuss the prospects to falsify them. All models are closely tied to the nature of dark matter, especially in supersymmetric theories. In the near future results from LHC and gamma-ray astronomy will shed new light on the origin of the matter-antimatter asymmetry of the universe.

研究の動機と目的

• 現代の素粒子物理学および宇宙論の枠組みの中で、主なバリオゲネシスメカニズム—電弱バリオゲネシス、レプトゲネシス、アフレック＝ダインバリオゲネシス—の妥当性を評価すること。
• 特にスカラープロセスと電弱相転移を含む、標準模型における非摂動的効果がバリオゲネシスのシナリオに与える制約を検討すること。
• バリオゲネシスとダークマターの関係、特に超対称理論における関係を調査し、観測的制約と整合性があるかを評価すること。
• 熱的レプトゲネシスにおけるフレーバー効果の役割と、軽いニュートリノ質量の許容パラメータ空間に与える影響を調査すること。
• 近い将来のLHCおよびガンマ線天文観測データによって、電弱バリオゲネシスやレプトゲネシスといった主要なバリオゲネシスモデルが否定または確認され得る可能性を評価すること。

提案手法

• ヘイズ質量の関数として、相転移の性質（一次相転移か連続的転移か）を特定するため、格子QCDと再結合技術を用いて電弱相図を解析する。
• 高温対称相におけるスカラープロセスの遷移率を、解析的再結合と数値的格子計算を用いて評価し、BおよびLの破れが約10¹² GeVまで熱的平衡に達することを確立する。
• 化学ポテンシャル形式を適用し、⟨B⟩_T = c_S ⟨B−L⟩_T = c_S/(c_S−1) ⟨L⟩_T の関係を導出する。標準模型における3世代の場合、c_S = 28/79 である。
• 重いメジャナネーター中性子の崩壊を用いて熱的レプトゲネシスをモデル化し、量子力学的運動方程式（カダノフ＝ベイム方程式）とフレーバー依存の崩壊率を組み合わせ、最終的なバリオン非対称性を計算する。
• 非熱的レプトゲネシスとアフレック＝ダインバリオゲネシスを代替メカニズムとして検討し、特に重ニュートリノの熱的生成がダークマター制約と整合しない場合のシナリオを想定する。
• 宇宙論的および素粒子物理学的制約、特にLEPのヒッグス粒子質量制限（m_H > 114 GeV）、バリオン非対称性 η_B ≈ 6×10⁻¹⁰、および超対称理論における再加熱温度 T_reheat < 10⁹ GeV の要件を満たすかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LEPのヒッグス粒子質量制限と電弱相転移の性質を踏まえると、標準模型における電弱バリオゲネシスは成立可能か？
• RQ2 成功した熱的レプトゲネシスのための軽いニュートリノ質量の許容範囲は何か？ また、フレーバー効果はこの窓をどのように変化させるか？
• RQ3 高温対称相におけるスカラープロセスが、バリオン数およびレプトン数非対称性の生成と保存に与える影響は何か？
• RQ4 特にWIMPおよびニュートリノ型ダークマターを含むダークマターのシナリオが、超対称理論におけるバリオゲネシスメカニズムに課す制約は何か？
• RQ5 近い将来のLHCおよびガンマ線天文観測によって、電弱バリオゲネシスやレプトゲネシスといった主要なバリオゲネシスモデルが否定または確認され得るか？

主な発見

• LEPのヒッグス粒子質量制限（m_H > 114 GeV）により、標準模型における電弱バリオゲネシスは除外される。これは、連続的電弱相転移を示し、熱的平衡からの逸脱が不可能であるためである。
• 熱的レプトゲネシスは、10⁻³ eV < m_i < 0.1 eV の範囲でのみ成立する。質量が大きいと、CP非対称性が不十分になり、洗い流し効果が強くなるためである。
• 重ニュートリノ崩壊におけるフレーバー効果は、生成されるバリオン非対称性を最大で2倍に増幅させ、軽いニュートリノ質量に対する上界を顕著に緩和する。
• 熱的レプトゲネシスにおいて、バリオン非対称性はニュートリノの性質にのみ依存し、初期条件（たとえば、既存のバリオン非対称性を含む）とは無関係である。
• バリオン非対称性 η_B ≈ 6×10⁻¹⁰ を熱的レプトゲネシスによって生成するには、重ニュートリノ質量 M_1 が約10⁹–10¹² GeV の範囲にある必要がある。初期分布に依存する。
• 最も単純な熱的レプトゲネシスのバージョンは、中性子がLSPでニュートリノ型ダークマターである最小超対称標準模型（MSSM）とは整合しない。再加熱温度制限のため、重ヒッグス粒子やニュートリノ型ダークマターとは異なる代替のダークマター候補が好まれる。