[論文レビュー] Domain walls and CP violation with left right supersymmetry:implications for leptogenesis and electron EDM

P. Banerjee, Urjit A. Yajnik|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 69被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、左対称超対称モデル（LRSUSY）におけるCP対称性の破れ位相と低エネルギー現象との直接的な関連を確立し、ドメイン壁を通じて重ね合わせるレプトン生成のパラメータと電子電気双極モーメント（EDM）を結びつける。ドメイン壁内での拡散方程式の数値的解法と、1ループおよび2ループのEDM計算を用いて、LRSUSYのパラメータ空間に対する厳密な制約を導出し、U(1)B−Lの対称性の破れスケールが10^4.5 GeVを超える必要があること、およびSU(2)RスケールがM²B−L/MEW未満にきわめて厳密に制限されることを示している。これは、LRSUSYに対するこれまでで最も厳しい制約である。

ABSTRACT

Low scale leptogenesis scenarios are difficult to verify due to our inability to relate the parameters involved in the early universe processes with the low energy or collider observables. Here we show that one can in principle relate the parameters giving rise to the transient $CP$ violating phase involved in leptogenesis with those that can be deduced from the observation of electric dipole moment (EDM) of the electron. We work out the details of this in the context of the left right symmetric supersymmetric model (LRSUSY) which provides a strong connection between such parameters. In particular, we show that baryon asymmetry requirements imply the scale $M_{B-L}$ of $U(1)_{B-L}$ symmetry breaking to be larger than $10^{4.5}~\mathrm{GeV}$. Moreover the scale $M_R$ of $SU(2)_R$ symmetry breaking is tightly constrained to lie in a narrow band significantly below $M_{B-L}^2 / M_{EW}$. These are the most stringent constraints on the parameter space of LRSUSY model being considered.

研究の動機と目的

• ドメイン壁内に一時的に存在するCP対称性の破れ位相（レプトン生成に不可欠）と、低エネルギーで観測可能な電子EDMとの間の定量的関係を確立すること。
• レプトン生成とEDMの両方の制約を用いて、左対称超対称モデル（LRSUSY）のパラメータ空間、特にU(1)B−LおよびSU(2)Rの対称性の破れスケールを制約すること。
• 成功したバリオン非対称性生成と、電子EDMの実験的上限との間に生じる矛盾を解消し、LRSUSYの妥当なシナリオを同定すること。
• 初期宇宙の相転移に相当する温度補正を含めた、LRSUSYにおける1ループおよび2ループレベルでの電子EDMを計算すること。
• バリオン生成とEDMの両方の制約を満たす最小のU(1)B−L対称性の破れスケールを特定し、既存の制約を改善すること。

提案手法

• 左巻きニュートリノの空間的に変化する複素質量を仮定した、ゆっくりと移動するドメイン壁内でのレプトン数密度の拡散方程式を数値的に解き、レプトン数輸送のダイナミクスをモデル化すること。
• 空間的に変化するヒッグス真空期待値（vev）のためのオイラー＝ラグランジュ方程式から得られるドメイン壁のプロファイルを用い、T ≈ MB−Lにおける温度補正を組み込むこと。
• 一般化されたバール＝ツェメのメカニズムを用いて、1ループおよび2ループレベルでの電子EDMを計算し、CP対称性の破れの主な寄与源として最も軽いバイダブルトヒッグスを特定すること。
• 高温（T = MB−L）における中性バイダブルトヒッグスの温度依存質量行列を適用し、デバイスクリーニング補正を含めることで、初期宇宙の状態をモデル化すること。
• 予測されたバリオン非対称性が観測値（1桁のオーダー内）と一致するよう、(MB−L, MR)パラメータ空間をマッピングすること。同時に、電子EDMがACME II実験の上限（1.1×10⁻²⁹ e·cm）未満に収まるように制約を課すこと。
• 2つの軽いヒッグスダブルトの間の相対位相を制御する三重項結合パラメータαを用い、レプトン生成の制約からその下限（α ≳ 0.1）を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LRSUSYモデルのドメイン壁内で生成されるCP対称性の破れ位相は、観測されたバリオン非対称性と整合するか？
• RQ2 LRSUSYにおけるレプトン生成を支配するパラメータと電子EDMとの間の定量的関係は何か？
• RQ3 バリオン非対称性とEDMの両方の制約を満たす、LRSUSYにおけるU(1)B−LおよびSU(2)Rの対称性の破れスケールに対する最も厳しい制約は何か？
• RQ4 三重項結合パラメータαは、LRSUSYにおけるレプトン生成の妥当性およびそれに続く電子EDMにどのように影響を与えるか？
• RQ5 LRSUSYにおける電子EDMは1ループおよび2ループレベルで信頼性高く計算可能か？また、その制約はバリオン非対称性条件を上回る強さを持つのか？

主な発見

• バリオン非対称性の制約を満たすためには、U(1)B−Lの対称性の破れスケールが10^4.5 GeVを超える必要がある。これにより、低スケールの値は排除される。
• SU(2)Rの対称性の破れスケールMRは、M²B−L/MEW未満にきわめて厳密に制限されており、(MB−L, MR)平面における有効な領域が狭い帯域に限定されることを示している。
• バリオン非対称性の制約が電子EDMの制約よりも厳しいため、(MB−L, MR)の許容領域はEDMの許容領域に完全に含まれている。
• 成功したレプトン生成のためには、三重項結合パラメータαが0.1以上（α ≥ 0.1）である必要があり、これにより有効なパラメータ空間がさらに制限される。
• バール＝ツェメのメカニズムに従い、2ループレベルでの電子EDM計算により、モデルのCP対称性の破れ位相が非自明なEDMを生成することが示されたが、ACME IIの上限を下回るのは特定の(MB−L, MR)の組み合わせに限られる。
• バリオン非対称性とEDM実験の両方を満たす最小のMB−Lは約10^6.5 GeVであり、αに依存して10^10 GeVまで有効な領域が延びる。