[論文レビュー] Charged $B$ Mesogenesis

Fatemeh Elahi, Gilly Elor+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、O(10 MeV)の温度で電荷を帯びたB中間子の崩壊におけるCP対称性の破れを活用して、観測されたバリオン非対称性およびダークマターを生成する2つの新しいメカニズム—B⁺c メソジェネシスおよびB⁺ メソジェネシス—を提案する。両方のシナリオとも、標準模型のクォークに崩壊するスカラー場の非平衡崩壊を経て、ハドロン化によって電荷を帯びたB中間子が生成され、そのCP対称性の破れによる崩壊が可視宇宙とダークセクターの両方で等しく反対のバリオン非対称性を生じさせる。ダークマターの豊度は自然に生成される。

ABSTRACT

We leverage the CP violation in charged $B$ meson decays to generate the observed baryon asymmetry and dark matter at $\mathcal{O}(10 ext{ MeV})$ temperatures. We realize this in two scenarios: $B_c^+$ Mesogenesis and $B^+$ Mesogenesis. In the first, CP violating $B_c^\pm$ decays to $B^\pm$ mesons are followed by decays to dark and Standard Model baryons. In the second, CP violating $B^\pm$ decays to lighter charged mesons are accompanied by the latter's decays to dark and Standard Model leptons, which then scatter into the baryon asymmetry. $B_c^+$ Mesogenesis is actively being probed at Belle and LHCb, while $B^+$ Mesogenesis can be tested at colliders and sterile neutrino searches.

研究の動機と目的

• 観測された宇宙におけるバリオン非対称性およびダークマターの起源が未解決の問題であることを扱う。
• 標準模型に既に存在するCP対称性の破れを用いた低スケールバリオン生成メカニズムを提案する。
• 1つの枠組み内でバリオン非対称性生成とダークマター生成を統合する。
• 既存および将来の加速器実験で検証可能なメカニズムを提供する。

提案手法

• TBBNからTQCDの間の温度で、スカラー場Φが熱的平衡から逸脱して標準模型クォークに崩壊するメカニズムを提案する。
• 生成されたクォークがハドロン化して電荷を帯びたB中間子となり、CP対称性の破れを伴う崩壊を経る。
• B⁺c メソジェネシスでは、B±c 中間子のCP対称性の破れによる崩壊が、ダークおよび標準模型のバリオンを生成し、全バリオン数が保存される。
• B+ メソジェネシスでは、B± 中間子のCP対称性の破れによる崩壊が、ダークおよび標準模型のレプトンを生成し、その後ダークセクターの相互作用によってレプトンからバリオン非対称性が生成される。
• このメカニズムにより、可視宇宙とダークセクターの両方で等しく反対のバリオン非対称性が確保され、サルカロフ条件を満たす。
• ダークマター候補はバリオン非対称性とともに自然に生成され、その豊度は中間子崩壊におけるCP非対称性に依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低温（O(10 MeV)）における電荷を帯びたB中間子崩壊におけるCP対称性の破れが、観測されたバリオン非対称性およびダークマターを生成できるか？
• RQ2 標準模型のCP対称性の破れのみを用いて、バリオン生成とダークマター生成を1つのメカニズムで統合することは可能か？
• RQ3 B⁺c メソジェネシスとB+ メソジェネシスは、物性的特徴および実験的検証可能性においてどのように異なるか？
• RQ4 Belle、LHCb、または将来の加速器でこれらのメカニズムを確認するための主要な実験的観測量は何か？

主な発見

• B⁺c メソジェネシスは、これまでにない最も単純なメソジェネシスの実現形であり、B±c 中間子のCP対称性の破れによる崩壊がダークおよび標準模型のバリオンを生成する。
• B+ メソジェネシスは、B± 中間子のより軽い中間子への崩壊におけるCP対称性の破れを活用し、その後ダークセクター内でのレプトンからバリオンへの変換を経る。
• 両メカニズムとも、標準模型におけるCP対称性の破れを介して、観測されたバリオン非対称性およびダークマターの豊度を生成する。
• これらのメカニズムはBelleおよびLHCbで検証可能であり、B⁺c メソジェネシスはすでに実験的注目を浴びている。
• 両シナリオにおけるダークマター候補は、正しいリlic密度で生成され、中間子崩壊におけるCP非対称性と関連している。
• モデルは微調整を避け、スカラーΦおよびダークセクター粒子を除いては、新たな重い状態を必要としない。