[論文レビュー] Low-scale leptogenesis and dark matter

Andrea Caputo, Pilar Hernández+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、1–100 GeVのマヨラナ単粒子フェルミオンがCP対称性の破れを伴う振動によってバリオン非対称性を生成するARSメカニズムを、弱い結合性を持つB-Lゲージボソン、目に見えないQCDアクシン、およびシングレットマヨラロンの3つのモデルを用いて拡張する。これらの拡張により、同時に成り立つレプトゲネシスとダークマターの説明が可能となり、2つの主要な宇宙論的謎を統一的に解消するソリューションを提供する。

ABSTRACT

An extension of the Standard Model with Majorana singlet fermions in the 1-100 GeV range can give rise to a baryon asymmetry at freeze-in via the CP-violating oscillations of these neutrinos: this is the well known ARS mechanism. In this paper we consider possible extensions of the minimal ARS scenario that can account not only for successful leptogenesis but also explain other open problems such as dark matter. We find that an extension in the form of a weakly coupled B-L gauge boson, an invisible QCD axion model, and the singlet majoron model can simultaneously account for dark matter and the baryon asymmetry.

研究の動機と目的

• マヨラナ単粒子フェルミオンを用いた低スケールレプトゲネシスの文脈において未解決のダークマター問題を扱う。
• 同時にバリオン非対称性を生成し、ダークマター候補を提供する最小限のARSメカニズムの拡張を検討する。
• 1–100 GeVの質量範囲内でレプトゲネシスとダークマターを統一する可能性のある粒子物理学的モデルを同定する。
• B-Lゲージボソン、目に見えないアクシン、およびシングレットマヨラロンモデルが、バリオゲネシスとダークマターの両方の二重的解決策として実現可能かどうかを評価する。

提案手法

• 1–100 GeVの範囲にあるマヨラナ単粒子フェルミオンを標準模型に追加し、CP対称性の破れを伴う振動によって低スケールレプトゲネシスを可能にする。
• 単粒子フェルミオンが新しいゲージボソンと結合するU(1)_B-Lゲージ対称性を導入し、そのゲージボソンがダークマター候補として機能する。
• モデルに目に見えないQCDアクシンを組み込み、アクシン場が安定で弱く相互作用するダークマター成分を提供する。
• シングレットマヨラロンモデルを改変し、B-L対称性の自発的破れを引き起こす複素スカラー単粒子を導入し、その結果生じる擬スカラー・ニーマン＝ゴールドストーン粒子をダークマターとして機能させる。
• 各拡張における単粒子ニュートリノの振動におけるCP対称性の破れとダークマター候補の安定性の相互作用を分析する。
• 各モデルがバリオン非対称性およびダークマターの残存密度といった宇宙論的制約と整合するかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低スケールレプトゲネシスのためのARSメカニズムは、妥当なダークマター候補を一貫して拡張可能か？
• RQ2 B-Lゲージボソン、目に見えないアクシン、およびシングレットマヨラロンモデルは、それぞれ観測された残存密度と整合する安定で弱く相互作用するダークマター粒子を提供可能か？
• RQ3 1–100 GeVの質量範囲内で、同一の理論的枠組みの中で成功裏にバリオン非対称性を生成し、同時にダークマターの安定性を達成することは可能か？
• RQ4 各モデルにおける単粒子ニュートリノ系におけるCP対称性の破れ位相とダークマター生成メカニズムの相互作用はいかなるものか？
• RQ5 これらの拡張モデルの物性的特徴および宇宙論的制約は何か？

主な発見

• B-Lゲージボソンの拡張により、観測された残存密度および直接検出制約と整合する1–100 GeVの質量範囲にある妥当なダークマター候補が得られる。
• 目に見えないQCDアクシンモデルはアクシン場を介してダークマターを実現し、ペチェイ＝クイン対称性の破れスケールおよび宇宙論的制約と整合する質量スケールを持つ。
• シングレットマヨラロンモデルは、擬ニーマン＝ゴールドストーン粒子を生成し、それが安定なダークマター粒子として機能する。その質量と結合定数はB-L対称性の破れスケールによって決定される。
• 3つのモデルすべてが、元来のARSメカニズムと同様に、マヨラナ単粒子フェルミオンのCP対称性の破れを伴う振動によって観測されたバリオン非対称性を再現する。
• モデルはニュートリノ振動データと整合しており、顕著なフラバー変換中性荷電現在を導入しない。
• 各拡張において、ニュートリノ系におけるCP対称性の破れとダークマターの安定性の相互作用が自然に実現され、統一的な枠組みが可能になる。