[論文レビュー] Baryogenesis at the electroweak phase transition

Nicholas Petropoulos|ArXiv.org|Apr 29, 2003

Neutrino Physics Research被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、有限温度における非自明な有効ポテンシャルが電弱相転移を駆動する場合、標準模型において電弱重ね合わせ生成が起こり得ることを調査している。1ループの有限温度有効ポテンシャル計算を用いて、相転移が特定のヒッグスおよびトップクォーク質量においてのみ1次相転移であることが判明した。その強度は未知のパラメータに依存するため、最小模型における重ね合わせ生成のための臨界領域が特定された。

ABSTRACT

A possible solution to the observed baryon asymmetry in the universe is described, based on the physics of the standard model of electroweak interactions. At temperatures high enough electroweak physics provides violation of baryon number, while C and CP symmetries are not exactly conserved, although in the context of the minimal electroweak model with one Higgs doublet the rate of CP violation is not sufficient enough to generate the observed asymmetry. The condition that the universe must be out of thermal equilibrium requires the electroweak phase transition (EWPT) to be first order. The dynamics of the phase transition in the minimal model is investigated through the effective potential, which is calculated at the one loop order. Finite temperature effects on the effective potential are treated numerically and within the high temperature approximation, which is found to be in good agreement with the exact calculation. At the one loop level the phase transition was found to be of the first order, while the strength of the transition depends on the unknown parameters of the theory which are the Higgs boson and top quark masses.

研究の動機と目的

• 宇宙における観測されたバリオン非対称性が、電弱相互作用の標準模型によって生成可能かどうかを評価すること。
• 有限温度条件下で電弱相転移が1次的であるかどうかを特定すること。これは重ね合わせ生成のための必須条件である。
• 有限温度有効ポテンシャルが相転移を駆動し、バリオン数の保存が破れるメカニズムの役割を分析すること。
• CP対称性の破れおよび熱的平衡の破れという制約のもとで、1つのヒッグスダブルレットを持つ最小模型における電弱重ね合わせ生成の妥当性を評価すること。

提案手法

• 経路積分形式および高温近似を用いて、1ループの有限温度有効ポテンシャルを計算する。
• スカラー、フェルミオン、ゲージボソンのループに対する有限温度補正を、熱場理論の技法を用いて取り扱う。
• 有効ポテンシャルの高温近似を適用し、正確な数値計算結果と比較する。
• バブル核生成を通じた相転移のダイナミクスを調査し、相転移が1次的でなければならないことを確認する。
• 相転移中におけるスファラロン過程を通じたバリオン非対称性生成を評価し、CP対称性の破れおよび非平衡状態に依存することを検証する。
• 1ループ有効ポテンシャルを用いて、転移中の臨界温度および真空期待値の変化を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型は、電弱重ね合わせ生成によって十分なバリオン非対称性を生成可能か？
• RQ2 最小標準模型における電弱相転移は、有限温度下で1次的か？
• RQ3 ヒッグスおよびトップクォーク質量は、電弱相転移の強度および性質にどのように影響を与えるか？
• RQ4 高温近似は、有限温度有効ポテンシャルをどれほど正確に記述できるか？
• RQ5 1次相転移の結果、バブル核生成およびバリオン数保存の破れにどのような意味があるか？

主な発見

• 1ループの有限温度有効ポテンシャル計算により、最小標準模型における電弱相転移が特定の条件下で1次的であることが示された。
• 相転移の強度は、ヒッグスおよびトップクォーク質量の未知の値に強く依存しており、これは真空間の障壁の高さを決定する。
• 有効ポテンシャルの高温近似は、正確な数値計算結果と良好に一致することが確認された。
• 相転移が1次的であれば、熱的平衡からの逸脱という重ね合わせ生成に必要な条件を満たしていることが示された。
• 本研究では、最小標準模型が原理的には電弱重ね合わせ生成を支持可能であることが確認されたが、ヒッグスおよびトップクォーク質量が狭い範囲に限定される場合に限る。
• 本研究は、相転移のダイナミクスおよびバブル核生成が、ネットバリオン非対称性を維持するために極めて重要であることを強調した。