[論文レビュー] Leptogenesis at the TeV scale

Asmâa Abada, H. Aissaoui+1 more|ArXiv.org|Jun 28, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、4つのゲージノンの右巻きニュートリノを用いて、宇宙の観測されたバリオン非対称性を生成すると同時に、実験データと整合する軽いニュートリノ質量を再現するテューヴスケールのレプトゲネシスモデルを提案する。崩壊、逆崩壊、ΔL=1およびΔL=2の散乱過程の完全なボルツマン方程式を解くことで、2世代の模型ではη_B ≃ 6.7 × 10^{-10}、4世代への拡張ではη_B ≃ 3.4 × 10^{-10}の成功したバリオン非対称性生成が示され、熱的条件下でもテューブスケールのレプトゲネシスが現実的であることが検証された。

ABSTRACT

We consider a generic model with four gauge singlets which generates successfully the right amount of baryon asymmetry through leptogenesis at the TeV scale. It also reproduces left-handed neutrino masses compatible with present data. In the present work, we perform a study of thermal production mechanisms of the lightest right-handed neutrino $N_{1}$ responsible for the lepton asymmetry taking into account all dominant processes (decays, $ΔL = 1$ and $ΔL=2$ scatterings) by solving the full Boltzmann equations.

研究の動機と目的

• 右巻きニュートリノ質量の従来の下限10^8 GeVを下回るテューブスケールでレプトゲネシスが成立するかを調査すること。
• 観測された宇宙のバリオン非対称性と、実験データと整合する左巻きニュートリノ質量を同時に説明できるモデルを構築すること。
• 軽い右巻きニュートリノの熱的生成メカニズム（崩壊、逆崩壊、レプトン数破れ散乱過程）を、完全なボルツマン方程式を用いて分析すること。

提案手法

• 標準模型に4つのゲージノンの右巻きニュートリノと4世代のレプトンダブルットを追加し、Zボソン幅に関するLEP制約と整合するようにする。
• ニュートリノ質量行列はシーイズミー機構により生成され、軽いニュートリノ質量はm_ν = Y_ν^† M^{-1} Y_ν v^2で与えられる。ここでMは対角の右巻きニュートリノ質量行列である。
• CP非対称パラメータε_1は1ループ自己エネルギーおよび頂点補正から計算され、式ε_I = 1/(8π [Y_ν^† Y_ν]_II) × Σ_J Im[(Y_ν^† Y_ν)^2_IJ] × [f(M_J^2/M_I^2) + g(M_J^2/M_I^2)]が与えられる。ここでfとgはループ関数である。
• 軽い右巻きニュートリノY_{N_1}の豊度とレプトン非対称性Y_Lのボルツマン方程式を、崩壊（γ_D）、ΔL=1散乱（γ_S）、ΔL=2過程（γ_W）の寄与を含めて数値的に解き、洗い流し効果はγ_W項でモデル化する。
• CP非対称項の相互作用を示す2世代の模型を用い、フレームワークの妥当性を検証した後、Yukawaカップリング行列に特定のテクスチャーを導入した4世代への一般化を実施した。
• バリオン非対称性は、Sphaleron遷移を考慮してY_B = -((8N_F + 4N_H)/(22N_F + 13N_H)) Y_Lの関係式でレプトン非対称性と結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 右巻きニュートリノ質量の従来の10^8 GeV下限を下回るテューブスケールで、成功したレプトゲネシスが達成可能か？
• RQ2 熱的生成メカニズム（特に崩壊、逆崩壊、ΔL=1およびΔL=2散乱）が、テューブスケールモデルにおけるレプトン非対称性の生成と保存にどのように寄与するか？
• RQ3 4つの右巻きニュートリノを持つモデルが、正しいバリオン非対称性と実験データと整合する軽いニュートリノ質量を同時に生成できるか？
• RQ4 CP非対称パラメータε_1が最終的なバリオン非対称性を決定する役割を果たすメカニズムは何か？また、質量階層とYukawaカップリングに依存するか？
• RQ5 洗い流し過程（γ_W）が生成された非対称性をどれほど抑制するか？また、モデルが観測されたη_B ≃ 6.5 × 10^{-10}を達成できるか？

主な発見

• 2世代の模型では、観測値（WMAPからの値）と一致するη_B ≃ 6.7 × 10^{-10}のバリオン非対称性が成功裏に生成され、|ε_1| ≃ 2.5 × 10^{-5}のCP非対称パラメータが得られた。
• 4世代のモデルでは、η_B ≃ 3.4 × 10^{-10}のバリオン非対称性が得られ、観測範囲と整合的であり、10^{-1} eVから10^{-7} eVのオーダーの軽いニュートリノ質量も再現された。
• LEPのZ幅制約を満たし、M_I ~ テューブスケール、Yukawaカップリングが電子Yukawaカップリングと同オーダーの条件下で、シーイズミー機構により左巻きニュートリノ質量が再現された。
• 4世代の場合、CP非対称パラメータは|ε_1| ≃ 6.8 × 10^{-5}に達し、低質量スケールでも必要な非対称性を生成するのに十分であった。
• ボルツマン方程式の完全な数値解法により、ΔL=1およびΔL=2の過程を含む熱的生成メカニズムが最終的な非対称性を決定づけることが確認され、洗い流し効果も適切に制御された。
• 本研究は、すべての主要な熱的過程をボルツマンフレームワークに一貫して組み込むことで、従来の洗い流しやCP非対称性不足の懸念を克服し、テューブスケールのレプトゲネシスが現実的であることを示した。