[論文レビュー] CP violation and baryogenesis

W. Bernreuther|ArXiv.org|May 24, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 23被引用数 6

ひとこと要約

この論文はバリオゲネシスの理論的枠組みをレビューし、標準模型（SM）がCP対称性の破れが不十分で電弱相転移が強い一次相転移でないため、観測されたバリオン非対称性を生成できないと結論づけている。代わりに、重いメジャナネーター中性子の崩壊によるレプトゲネシスが顕著な代替手段である。ここでCP対称性の破れの位相は、低エネルギーでのCP対称性の破れの位相とは独立して、ニュートリノ混合行列のCP対称性の破れ位相によってバリオン非対称性が生成される。

ABSTRACT

In these lecture notes an introduction is given to some ideas and attempts to understand the origin of the matter-antimatter asymmetry of the universe. After the discussion of some basic issues of cosmology and particle theory the scenarios of electroweak baryogenesis, GUT baryogenesis, and leptogenesis are outlined.

研究の動機と目的

• 標準模型（SM）が電弱バリオゲネシスによって観測された宇宙のバリオン非対称性（BAU）を説明できるかどうかを評価すること。
• SMがバリオゲネシスに必要な十分なCP対称性の破れと強い電弱相転移を生成できないという限界を分析すること。
• 特にレプトゲネシスを含む、SMを超えた代替バリオゲネシスメカニズムを提示・評価すること。
• 低エネルギーでのニュートリノ物理学におけるCP対称性の破れの位相と、レプトゲネシスの場面でバリオン非対称性を生成する原因となる位相との間の断絶を明確にすること。

提案手法

• バリオゲネシスのサルカロフ条件をレビュー：バリオン数の破れ、CおよびCP対称性の破れ、熱的平衡からの逸脱。
• SMにおける電弱バリオゲネシスを分析し、電弱相転移が弱い一次相転移であり、バリオン数生成に不十分であることを示す。
• 重い右巻きニュートリノを介して軽いメジャナニュートリノを生成するシー・スイッチ機構を導入し、レプトゲネシスを可能にする。
• ユニタリ混合行列Kとディラック質量行列M_Dを用いて、重いメジャナニュートリノ崩壊におけるCP非対称性を導出する。
• 重いメジャナニュートリノ崩壊におけるCP非対称性の式を適用し、ユニタリ行列Uの位相に依存することを示す。
• 実験で測定可能なニュートリノ振動におけるCP対称性の破れの位相と、レプトゲネシスを駆動する位相（直接測定不可）の役割を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型の小林・益川CP対称性の破れ位相は、観測された宇宙のバリオン非対称性を生成できるか？
• RQ2 なぜSMにおける電弱相転移は、十分なバリオン数の破れとCP非対称性を生成できないのか？
• RQ3 重いメジャナニュートリノの崩壊によるレプトゲネシスは、SMのパラメータに依存せずに物質-反物質非対称性を生成できるのか？
• RQ4 低エネルギーでのニュートリノ実験におけるCP対称性の破れの位相と、バリオゲネシスを駆動する位相との関係は何か？
• RQ5 なぜディラック質量行列M_Dのユニタリ行列UのCP対称性の破れの位相がレプトゲネシスに重要であるのに対し、Kの位相は重要でないのか？

主な発見

• 標準模型は、CP対称性の破れが不十分で電弱相転移が弱い一次相転移であるため、観測されたバリオン非対称性（η ~ 10⁻¹⁰）を説明できない。
• 電弱バリオゲネシスはSMでは失敗する。これは電弱相転移が強く一次的ではなく、バリオン数の破れ過程が効率が高すぎて非対称性を維持できないためである。
• 重いメジャナニュートリノの崩壊によるレプトゲネシスは、BAUを生成するための妥当で動機付けの強いメカニズムであり、特に右巻きニュートリノ質量が大きいモデルでは顕著である。
• 重ニュートリノ崩壊におけるCP非対称性は、M_D = VRU†の分解におけるユニタリ行列Uの位相に依存するが、混合行列Kの位相には依存しない。
• ニュートリノ振動や二重ベータ崩壊で観測されるCP対称性の破れの位相と、レプトゲネシスを駆動する位相との間に直接的な関係はない。
• シー・スイッチ機構により、軽いニュートリノ質量はm_ν ≈ m_D²/m_Rとして生成され、左巻きニュートリノの有効質量が小さくなる一方で、M_D^†M_Dに大きなCP位相を許容できる。