[論文レビュー] Baryogenesis and lepton number violation

Michael Pluemacher|ArXiv.org|Apr 3, 1996

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 17

ひとこと要約

この論文は、SO(10)のグランドユニフィケーション理論枠組みにおいて、重い右巻きメソンニュートリノの非平衡崩壊を通じたバリオゲネシス機構を提案する。ゲージ相互作用により崩壊以前に熱的平衡が保たれ、その結果生じるレプトン数非対称性がスファラロンによって観測されるバリオン数非対称性に再処理される。このメカニズムにより、$Y_{B} \approx 5 \times 10^{-10}$ が得られるとともに、太陽および大気ニュートリノデータに整合する軽いニュートリノの質量と混合角も同時に予測できる。

ABSTRACT

The cosmological baryon asymmetry can be explained by the nonperturbative electroweak reprocessing of a lepton asymmetry generated in the out-of-equilibrium decay of heavy right-handed Majorana neutrinos. We analyze this mechanism in detail in the framework of a SO(10)-subgroup. We take three right-handed neutrinos into account and discuss physical neutrino mass matrices.

研究の動機と目的

• 重い右巻きニュートリノの熱的平衡をゲージ相互作用によって実現することで、インフレーションとバリオゲネシスの間の矛盾を解消すること。
• 重いメイソンニュートリノの非平衡崩壊によるレプトン数非対称性が、スファラロン過程を通じて観測されるバリオン数非対称性を生成できることを示すこと。
• バリオン数非対称性と低エネルギーでのニュートリノの物性現象（太陽ニュートリノの欠落と数eV程度の$\tau$-ニュートリノ質量）を同時に説明できる現実的なニュートリノ質量行列を構築すること。
• ゲージ相互作用による平衡化のおかげで、初期条件に依存しない最終的なバリオン数非対称性が得られることを示すこと。これは、従来のモデルとは対照的である。

提案手法

• 共動体積内の粒子数密度のボルツマン方程式を定式化し、$Y_{\psi} = n_{\psi}/s$ を熱的および非平衡状態で追跡する。
• 3つの右巻きニュートリノを用いたシー・スイッチ機構を用い、$m_{\nu} \approx m_D M^{-1} m_D^T$ を通じて軽いニュートリノ質量を計算する。
• 右巻きニュートリノの相互作用を強化し、高温で熱的平衡を達成可能にするために、アーベルゲージ対称性$U(1)_{X}$を導入する。
• ディラックニュートリノ質量行列の複素位相を用いてCP非対称性を計算し、$\varepsilon_i \propto \text{Im}(\text{Tr}(m_D m_D^\dagger M^{-1}))$ を得る。
• 複数の重いニュートリノ状態についてボルツマン方程式を数値的に解き、非対称性生成において最も軽い状態が支配的であることを示す。
• 階層的なパrameter $\rho, \sigma, \tau, \zeta$ を用いた質量行列を構築し、バリオン数非対称性とニュートリノ物性現象の両方を再現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲージ相互作用による平衡化を伴うSO(10) GUT枠組みにおいて、重い右巻きニュートリノのレプトン数破れ崩壊によってバリオン数非対称性が生成可能か？
• RQ2 スファラロンによって再処理された$B-L$非対称性が、観測された$Y_B \approx 10^{-10}$ を与えるか？
• RQ3 同じモデルが、低エネルギーでのニュートリノ質量と混合角（特に数eV程度の$\tau$-ニュートリノ質量）を同時に説明可能か？
• RQ4 ゲージ相互作用が崩壊前の熱的平衡を保証するため、最終的なバリオン数非対称性が初期条件に依存しないか？
• RQ5 ニュートリノ質量行列におけるどのようなパrameter選択が、正しい$Y_{B-L}$と物理的に妥当なニュートリノ質量・混合角を同時に達成するか？

主な発見

• モデルは、スファラロン再処理後に$Y_{B-L} = 5 \times 10^{-10}$ の$B-L$非対称性を生成し、観測されるバリオン数非対称性と整合する。
• ゲージ相互作用により崩壊前の熱的平衡が保たれるため、最終的なバリオン数非対称性は初期の重いニュートリノ密度に依存しない。
• 最も軽い右巻きニュートリノがCP非対称性を支配し、$\varepsilon_1 \approx -1.3 \times 10^{-6}$ および $\varepsilon_2 \approx 4.6 \times 10^{-5}$ が得られる。
• モデルは、$m_{\nu_e} \approx 8.9 \times 10^{-7}$ eV、$m_{\nu_\mu} \approx 1.9 \times 10^{-3}$ eV、$m_{\nu_\tau} \approx 2.2$ eV の軽いニュートリノ質量を予測し、MSWおよびコールドプラスホットダークマターのシナリオと整合する。
• レプトン混合角$\sin^2 2\theta_{e\mu} \approx 0.009$ は、太陽ニュートリノ振動のMSW条件を満たす。
• 再熱温度が$10^8$ GeV未満の超対称的インフレーションシナリオにおいてもモデルは妥当であり、低温度で動作するためのメカニズムが成立する。