[論文レビュー] Lepton Flavour Effects and Resonant Leptogenesis

Thomas Underwood|ArXiv.org|May 22, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、電弱スケール（250 GeV）における共振的レプトン生成の最小モデルを提案する。重いメジャナ中性汎のレプトンと電磁レプトン間の大きなヤクバイ係数が、フラバー依存のCP対称性の破れを通じて、成功裏にバリオン非対称性を生成可能である。主な結果は、レプトンフラバー効果がCP非対称性の共鳴的増幅を可能にし、大きな$K$要因を伴う熱的レプトン生成を実現し、$\mu\to e\gamma$、$\mu\to eee$、$\mu\to e$変換実験における観測可能なシグナルを予測することである。

ABSTRACT

Minimal models exist in which thermal, resonant leptogenesis occurs at the electroweak scale. The effects of individual lepton flavours play a crucial role and allow successful leptogenesis with large couplings between some of the charged leptons and the heavy Majorana neutrinos. This leads to potentially observable signals for low energy experiments (such as MEG, MECO and PRIME) and future linear colliders.

研究の動機と目的

• 熱的レプトン生成が、重いメジャナ中性汎の崩壊における共鳴的CP対称性の破れを用いて電弱スケールで実現可能かどうかを検討すること。
• 個々のレプトンフラバー非対称性が、宇宙におけるバリオン非対称性の生成と保存に与える影響を調査すること。
• 共鳴的レプトン生成を有するモデルにおけるレプトンフラバー非対称性の観測可能なシグナル（例：$\mu\to e\gamma$、$\mu\to eee$、$\mu\to e$変換）を同定すること。
• 大きなヤクバイ係数と小さなウォッシュアウト効果が、フラバー特有の$K$要因を通じて共存可能であり、gravitino過剰生成の制約を回避できることを示すこと。

提案手法

• 標準模型の最小限の拡張として、3つの右手系メジャナ中性汎と対角的電磁レプトンヤクバイ係数を導入する。
• ボルツマン方程式の形式を用いて、スファラーモンの過程を含めた個々のレプトンフラバー非対称性およびバリオン非対称性の動的進化を追跡する。
• CP非対称性は自己エネルギー（\varepsilon型）寄与を用いて計算され、重い中性汎の質量差が崩壊幅と同等の大きさのとき、共鳴的に増幅される。
• ニュートリノヤクバイ係数が電磁レプトン係数と同等のスケールを取るパラメータライゼーションを用い、軽いニュートリノ質量を安定化させるために微小なU(1)レプトン数破れ項を導入する。
• バリオン非対称性は、$\eta_B \sim -10^{-2} \sum_{l,i} e^{-(m_{N_i}-m_{N_1})/m_{N_1}} \delta^{l}_{N_i} \frac{K^{l}_{N_i}}{K_l K_{N_i}}$という近似式を用いて計算され、フラバー依存のウォッシュアウトを反映する。
• 数値的解法はLeptoGenコードを用い、初期条件を様々に変えて連立ボルツマン方程式を解き、最終非対称性が初期密度に依存しないことを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フラバー効果により、大きなヤクバイ係数を有する共鳴的レプトン生成が電弱スケールで実現可能か？
• RQ2 個々のレプトンフラバー非対称性が、最終的なバリオン非対称性およびウォッシュアウト抑制に与える影響は？
• RQ3 共鳴的レプトン生成と大きなヤクバイ係数を有するモデルにおけるレプトンフラバー非対称性の観測可能なシグナルは何か？
• RQ4 共鳴的増幅とフラバー特有の$K$要因のおかげで、初期条件に依存しないバリオン非対称性が生成可能か？
• RQ5 MEG、MECO、PRIME、および線形衝突加速器の今後の実験にどのような意味を持つのか？

主な発見

• $m_N = 250$ GeVのモデルにおいて、観測と整合する$\eta_B \sim 6 \times 10^{-10}$のバリオン非対称性が成功裏に生成された。
• 共鳴的増幅とフラバー特有の$K$要因のおかげで、初期非対称性（初期レプトンおよびバリオン非対称性、重い中性汎の密度を含む）にほとんど依存しない。
• $\mu\to e\gamma$の分岐比は$B(\mu\to e\gamma) \simeq 10^{-12}$と予測され、MEG実験の感度範囲内にある。
• $\mu\to eee$の分岐比は$\simeq 1.4 \times 10^{-14}$、$^{48}_{22}{\rm Ti}$における$\mu\to e$変換の分岐比は$\simeq 4.5 \times 10^{-13}$であり、両者ともMECOおよびPRIME実験で測定可能である。
• 将来の$e^+e^-$または$\mu^+\mu^-$線形衝突加速器で$N_{1,2}$が生成可能であり、$\sqrt{s} = 0.5$ TeVで$|a|v/m_N \sim 0.7 \times 10^{-2}$の感度が得られる。
• $0\nu\beta\beta$崩壊における有効メジャナ質量は$|\langle m \rangle| \simeq 0.013$ eVであり、近い将来の実験の感度限界に近い。