[論文レビュー] Minimal Theory for Lepto-Baryons and Cosmological Implications

Sebastian Ohmer, Hiren H. Patel|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 14被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、低エネルギーで自発的に破れた局所的なバリオン数およびレプトン数対称性を持つ、最小限の異常自由な理論を提案し、暗黒物質候補としてのレプトバリオンの存在を予測する。また、化学ポテンシャルに関する新しいスファラロン条件を導出し、観測されたバリオン非対称性と初期宇宙で生成されたB−L非対称性を結びつける。暗黒物質の安定性は、対称性の破れのパターンから自然に生じる。

ABSTRACT

Particle and Astro-Particle Physics DivisionMax-Planck Institute for Nuclear Physics(MPIK)Saupfercheckweg 1, 69117 Heidelberg, Germany(Dated: April 1, 2014)We investigate the simplest models where baryon and lepton numbers are defined as local symme-tries spontaneously broken at the low scale and discuss the implications for cosmology. We definethe simplest anomaly-freetheory for spontaneousbaryonand lepton numberviolationwhich predictsthe existence of lepto-baryons. In this context we study thenew sphaleron condition on the chemicalpotentials and show the relation between the present baryon asymmetry and the B− Lasymmetrygenerated in the early universe. The properties of the cold dark matter candidate for which stabilityis a natural consequence from symmetry breaking are briefly d iscussed.I. INTRODUCTION

研究の動機と目的

• バリオン数およびレプトン数が低エネルギーで局所的対称性として自発的に破れる、最も単純な異常自由な理論を構築すること。
• このようなモデルの宇宙論的影響、特にバリオン非対称性の生成を調査すること。
• 対称性の破れに起因する内在的な安定性から、レプトバリオンが自然なコールド暗黒物質候補として浮き彫りになること。
• バリオンおよびレプトン数密度の化学ポテンシャルを関連付ける新しいスファラロン条件を導出すること。
• 観測されたバリオン非対称性と初期宇宙における原始的B−L非対称性との関係を明確にすること。

提案手法

• 低エネルギーでHiggsメカニズムにより破れる局所的U(1)_BおよびU(1)_L対称性を持つ最小限のゲージ理論を構築する。
• 適切な hypercharge 割り当てとフェルミオン内容（右巻きニュートリノを含む）により異常自由を保証する。
• スファラロン遷移形式を適用し、熱平衡状態における化学ポテンシャルに関する新しい条件を導出する。
• スファラロン条件を用いて、B−L非対称性と観測されたバリオン非対称性を関連付ける。
• グローバル量子数および対称性保護を通じて、レプトバリオンの安定性を分析し、暗黒物質候補としての妥当性を検証する。
• 現在のバリオン非対称性と電弱転移期に生成されたB−L非対称性との関係を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低エネルギーで自発的に破れる局所的バリオン数およびレプトン数対称性を実現する最小の異常自由な理論は何か？
• RQ2 スファラロン過程は、熱平衡状態におけるバリオンおよびレプトン数密度の化学ポテンシャルをどのように制約するか？
• RQ3 このモデルにおいて、観測されたバリオン非対称性と原始的B−L非対称性との正確な関係は何か？
• RQ4 この枠組みにおいて、レプトバリオンはどのように安定な暗黒物質候補として現れるか？
• RQ5 この低スケールBおよびL対称性の破れシナリオの宇宙論的影響は何か？

主な発見

• モデルは、自発的に破れた局所的U(1)_BおよびU(1)_L対称性を持つ最小限の異常自由な理論を構築し、新たな粒子としてのレプトバリオンの存在を予測する。
• 熱平衡状態におけるバリオンおよびレプトン数密度の化学ポテンシャルを関連付ける新しいスファラロン条件が導出された。
• 観測されたバリオン非対称性が、初期宇宙で生成された原始的B−L非対称性と直接的に関連していることが示された。
• レプトバリオンは、自発的対称性の破れに起因する保存量子数のおかげで、安定なコールド暗黒物質候補として浮き彫りになった。
• 暗黒物質候補の安定性は、下位のゲージ対称性の結果として自然に生じるものであり、追加の恣意的な対称性を必要としない。