[論文レビュー] Baryogenesis: The Lepton Leaking Mechanism

Luı́s Bento, Zurab Berezhiani|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、$B-L$非対称性が、重いメジャナネーター中性子が媒介する、$L$-破壊散乱過程を通じて通常のレプトンが枯渇した隠れたセクターに変換されることで生成される、新しいビアロゲネシス機構—「レプトン漏れ」—を提案する。従来のレプトゲネシスとは異なり、このメカニズムはメジャナネーター中性子質量スケール未満（最低でも$10^9$ GeV）の再加熱温度でも機能し、超対称理論における重力ボソン過剰生成の制約を回避する。

ABSTRACT

We propose a baryo- and leptogenesis mechanism in which the B-L asymmetry is produced in the conversion of ordinary leptons into particles of some depleted hidden sector. In particular, we consider the lepton number violating reactions, l Higgs -> l' Higgs', \bar{l'} \bar{Higgs'}, mediated by the heavy Majorana neutrinos N of the seesaw mechanism, where l and Higgs are ordinary lepton and Higgs doublets and l', Higgs' the ``sterile'' leptons and Higgs. This mechanism can operate even if the reheat temperature is smaller than the N Majorana masses, in which case the usual leptogenesis mechanism through N decays is ineffective. In particular, the reheat tempearture can be as low as 10^9 GeV or less.

研究の動機と目的

• 再加熱温度が低いため標準的レプトゲネシスが失敗する状況において、$B-L$非対称性を生成する課題に対処すること。
• 重いメジャナネーター中性子の非平衡崩壊に依存しない代替のビアロゲネシスメカニズムを探索すること。
• 初期に空または冷たい隠れたセクターを想定した場合でも、$B-L$非対称性が$L$-破壊散乱過程を介して生成可能であることを示すこと。
• 特に重力ボソン過剰生成による制約から生じる再加熱温度の上限（$T_R < 10^9$–$10^{10}$ GeV）を考慮した場合、このメカニズムが超対称理論と整合することを示すこと。
• 通常のセクターと隠れたセクター間の$CP$-破壊相互作用が、レプトンが隠れたセクターへ非対称に漏れ出すことにより、$B-L$非対称性が生じることを確立すること。

提案手法

• このメカニズムは、$L$-破壊散乱過程$ l\bar{\nu}\to l'\bar{\nu}' $および$ \bar{l}\nu\to \bar{l}'\nu' $に依存し、シーブ・メカニズムの重いメジャナネーター中性子$N$が媒介する。
• 隠れたセクターは初期に枯渇または冷却状態にあり、可視セクターとは熱的接触がないと仮定し、非平衡状態を保証する。
• 有効な$CP$破壊は、$lN\bar{\nu}$および$\bar{l}N\nu$頂点における複素ヤコビ係数から生じ、非対称な断面積$\sigma(l\phi\to X') \neq \sigma(\bar{l}\bar{\phi}\to X')$を引き起こす。
• このプロセスは、$\Delta L = 1$相互作用を通じて可視セクターから隠れたセクターへのレプトン数の漏れによって駆動され、スファラロン過程によって$B-L$非対称性が保存される。
• モデルでは、隠れたセクターにステアーレプトン$l'$とヒッグス$\phi'$が存在し、別個のゲージ群$G'$の下で変換すると仮定する。一方、メッセンジャー$N$は$G$および$G'$の両方の単位表現である。
• このメカニズムは特定のモデルに依存せず、鏡セクター（可視セクターと同一）が$G'$の有効な候補である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再加熱温度が低くても、重いメジャナネーター中性子の崩壊ではなく、$L$-破壊散乱過程を介して$B-L$非対称性を生成できるか？
• RQ2 再加熱温度がメジャナネーター中性子質量スケール未満であっても、十分な$B-L$非対称性を生成できるか？
• RQ3 $lN\phi$頂点における$CP$破壊が、どのように隠れたセクターへの非対称なレプトン漏れを引き起こすか？
• RQ4 特に重力ボソン過剰生成の制約がある超対称理論モデルにおいて、再加熱温度にどのような制約が生じるか？
• RQ5 このメカニズムが、鏡バリオン数を介して、自己相互作用を示す暗黒物質候補を隠れたセクターに自然に生成できるか？

主な発見

• レプトン漏れメカニズムは、再加熱温度が$10^9$ GeVにまで低下しても、$N$の崩壊を必要とせず、$L$-破壊散乱過程を通じて$B-L$非対称性を生成可能である。
• このメカニズムは、$N$のメジャナネーター質量スケール未満でも有効であり、重力ボソン過剰生成のため再加熱温度に上限がある超対称理論モデルでも実用的である。
• 反応率における$CP$非対称性$\Gamma(l\phi\to X') \neq \Gamma(\bar{l}\bar{\phi}\to X')$が、レプトン数が隠れたセクターへ非対称に漏れ出すのを駆動する。
• 得られる$B-L$非対称性は再加熱温度に比例するため、高温領域ではより大きな非対称性が生成され、CMB非等方性に相関する等方性フラクチュエーションを引き起こす可能性がある。
• このメカニズムは、可視セクターおよび隠れたセクターの両方で$B-L$非対称性を同時に生成でき、$n_{B-L} \sim n'_{B-L}$となる。これは、隠れたセクターに可視バリオン密度と同等の密度を示す鏡バリオンが存在しうることを示唆している（$\Omega_B' \sim \Omega_B$）。
• モデルは、同一のゲージ構造と粒子内容を持つ鏡セクターを許容し、$E_8 \times E_8'$ヘテロティック超弦理論から自然に導かれる可能性がある。また、自己相互作用を示す鏡バリオンを通じて自然な暗黒物質候補を提供する。