[論文レビュー] Leptogenesis, neutrino mixing data and the absolute neutrino mass scale

Pasquale Di Bari|ArXiv.org|Jun 10, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、観測された宇宙のバリオン非対称性を生成するメカニズムとしての熱的レプトゲネシスを調査し、ニュートリノ混合データが、重い右巻きニュートリノが非相対論的領域で熱的平衡から逸脱して崩壊する状況を支持することを示している。軽い右巻きニュートリノ質量および絶対的ニュートリノ質量スケールの解析的上限を導出し、最小限の熱的レプトゲネシスにおいて0.1 eVより大きなニュートリノ質量は不適切であると結論づけており、宇宙論的および実験的実験に影響を与える。

ABSTRACT

Recent developments in thermal leptogenesis are reviewed. Neutrino mixing data favor a simple picture where the matter-anti matter asymmetry is generated by the decays of the heavy RH neutrinos mildly close to thermal equilibrium and, remarkably, in the full non relativistic regime. This results into predictions of the final baryon asymmetry not depending on the initial conditions and with minimized theoretical uncertainties. After a short outline of a geometrical derivation of the CP asymmetry bound, we derive analytic bounds on the lightest RH neutrino mass and on the absolute neutrino mass scale. Neutrino masses larger than 0.1 eV are not compatible with the minimal leptogenesis scenario. We discuss how the results get just slightly modified within the minimal supersymmetric standard model. In particular a conservative lower bound on the reheating temperature, T_R \gtrsim 10^9 GeV, is obtained in the relevant effective neutrino mass range tilde{m}_1 \gtrsim 3x10^{-3} eV. We also comment on the existence of a `too-short-blanket problem' in connection with the possibility of evading the leptogenesis neutrino mass bound.

研究の動機と目的

• 現在のニュートリノ混合データを用いて、最小限の熱的レプトゲネシスが観測されたバリオン非対称性を説明可能かどうかを評価すること。
• 軽い右巻きニュートリノ質量および絶対的ニュートリノ質量スケールに関するモデルに依存しない上限を導出すること。
• 再加熱温度および有効ニュートリノ質量を含む、宇宙論的および素粒子物理学的制約と熱的レプトゲネシスの整合性を検討すること。
• 将来の絶対的ニュートリノ質量スケールの測定が、最小限のレプトゲネシスのシナリオを検証する上でどのような意味を持つのかを評価すること。

提案手法

• 非平衡状態の重い粒子崩壊の運動論的理論を用いて、重い右巻きニュートリノの崩壊によるバリオン非対称性生成をモデル化する。
• 非対称性生成の効率を記述するために、C𝑒非対称性パラメータεおよび崩壊パラメータKを適用する。
• 崩壊パラメータKとニュートリノ混合データの関係を用いて、軽い右巻きニュートリノ質量および絶対的ニュートリノ質量スケールの解析的上限を導出する。
• 有効ニュートリノ質量 Ÿm1 を導入し、TR ≥ 10^9 GeV の条件を用いて、再加熱温度TRと関係付ける。
• 最小限の超対称標準模型（MSSM）を用いて、最小限のレプトゲネシスシナリオへの補正を評価する。
• '短すぎるカーテン問題'を検討し、高い再加熱温度要件とニュートリノ質量上限の回避が同時に満たされるかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小限の熱的レプトゲネシスと現在のニュートリノ混合データに整合する最大の許容される絶対的ニュートリノ質量スケールは何か？
• RQ2 再加熱温度が有効ニュートリノ質量および軽い右巻きニュートリノ質量にどのように依存するか？
• RQ3 最小限の熱的レプトゲネシスフレームワークにおいて、初期条件に依存せずに観測されたバリオン非対称性を説明できるか？
• RQ4 高い再加熱温度要件が、重ニュートリノ質量スペクトルおよびデゲネラシーの可能性にどのような制約を課えるか？
• RQ5 将来の絶対的ニュートリノ質量スケールおよびゼロニュートリノ双ベータ崩壊の測定が、最小限の熱的レプトゲネシスの予測をどのように検証するか？

主な発見

• 0.1 eVより大きなニュートリノ質量は、最小限の熱的レプトゲネシスのシナリオと整合しない。これは、絶対的ニュートリノ質量スケールに対する強い上限を示している。
• 有効ニュートリノ質量 Ÿm1 ≥ 3×10^{-3} eV の場合、再加熱温度の保守的下限として TR ≥ 10^9 GeV が得られる。
• 非相対論的でやや非平衡な崩壊領域のため、最終的なバリオン非対称性は最小限の理論的不確実性と初期条件依存性を有し、予測が明確である。
• 予測されたバリオン非対称性は安定でモデルに依存せず、ビッグバン核合成の予測力に類似している。
• 最小限のレプトゲネシスシナリオは、絶対的ニュートリノ質量スケールが (10^{-3} - 10^{-1}) eV の範囲にある場合にのみ頑健である。将来のデータが強い支持を提供する。
• '短すぎるカーテン問題'は、高い再加熱温度とニュートリノ質量上限の回避が、最小限の熱的レプトゲネシスで同時に満たせないことを示している。