[論文レビュー] Cosmological Baryon Asymmetry and Neutrinos: Baryogenesis via Leptogenesis in Supersymmetric Theories

Koichi Hamaguchi|ArXiv.org|Dec 19, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 67被引用数 14

ひとこと要約

この論文は、超対称理論における重い右巻きニュートリノの非平衡崩壊によって生成されたレプトン非対称性が、スファラネロン過程を通じてバリオン非対称性に変換されるメカニズムを提案する。主な結果は、成功したレプトン生成には $B-L$ 違反と十分な初期レプトン非対称性が必要であり、初期宇宙における gravitino の過剰生成と熱的ウォッシュアウト効果からの制約が存在することである。

ABSTRACT

Leptogenesis in supersymmetric model is discussed comprehensively and in detail. In the first half, we discuss several leptogenesis mechanisms by the decay of heavy right-handed neutrino, which include the standard thermal leptogenesis, leptogenesis via inflaton decay, and leptogenesis from the coherent oscillation of the right-handed sneutrino. In the second half, we perform a detailed analysis on the leptogenesis via the LHu flat direction (Affleck-Dine leptogenesis).

研究の動機と目的

• 宇宙の観測されたバリオン非対称性を、超対称モデルにおけるレプトン生成によって説明すること。
• 重い右巻きニュートリノの崩壊によって生成されたレプトン非対称性が、スファラネロン過程を通じてどのようにネットバリオン非対称性に至るかを調査すること。
• 熱的ウォッシュアウト、gravitino の過剰生成、および $B-L$ 違反の必要性といった、成功したバリオン生成に課される制約を分析すること。
• MSSM における平坦方向、特に $LH_u$ 平坦方向を介したレプトン生成の代替メカニズムを探索し、宇宙論的制約下での妥当性を検討すること。

提案手法

• 初期宇宙における $CP$ 違反過程を通じて、重い右巻きニュートリノの崩壊によってレプトン非対称性を生成する。
• バリオン生成のサハロフ条件を適用し、$B$ 違反を $B-L$ 違反に置き換えることで、スファラネロンによるウォッシュアウトから非対称性を保存する。
• MSSM における $LH_u$ 平坦方向を、コherentな振動と崩壊を通じたレプトン非対称性の源として分析する。
• 有効ポテンシャルと運動方程式を用いて、平坦方向場の初期振幅と位相からレプトン非対称性を導出する。
• ガージャー $U(1)_{B-L}$ 対称性からの制約を評価し、早期の振動やウォッシュアウトを避ける条件を特定する。
• プリヒーティングおよびインフレートンの崩壊が、右巻きニュートリノの生成とその後のレプトン生成に与える影響を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重い右巻きニュートリノの崩壊を通じて、超対称理論においてどのようにレプトン非対称性が生成されるか？
• RQ2 生成されたバリオン非対称性がスファラネロン過程によって洗い流されのないために必要な条件は何か？
• RQ3 MSSM における $LH_u$ 平坦方向は、レプトン生成の有効なレプトン非対称性の源として成立するか？
• RQ4 gravitino の過剰生成と熱的ウォッシュアウトは、レプトン生成のシナリオの妥当性にどのように影響するか？
• RQ5 $U(1)_{B-L}$ ゲージ対称性は、レプトン非対称性の安定化と早期の振動の回避にどのように寄与するか？

主な発見

• 右巻きニュートリノの崩壊によって生成されるレプトン非対称性は、$CP$ 違反位相と崩壊幅の差の積に比例し、階層的右巻きニュートリノでは非対称性パラメータ $\epsilon \sim \mathcal{O}(10^{-6})$ となる。
• スファラネロン過程は、$B-L$ 数を保存しながら、レプトン非対称性をバリオン非対称性に変換し、$n_B/s \approx \frac{1}{3} n_L/s$ の比を示す。
• 熱的ウォッシュアウトは、右巻きニュートリノ質量が $10^{9}$ GeV 以上である限り、最終的な非対称性を抑制しない。
• $LH_u$ 平坦方向は、コherentな振動を通じてレプトン非対称性を生成でき、非対称性は初期場の振幅と位相に依存する。
• 再熱温度が $10^8$ GeV 未満であれば、gravitino の過剰生成が抑制され、$\widetilde{N}$-優勢な宇宙のシナリオは妥当となる。
• $U(1)_{B-L}$ 対称性は平坦方向を安定化させ、初期位相が大きすぎず、質量スケールが十分に高い限り、早期の振動を防ぐ。