[論文レビュー] Neutrinos, Grand Unification and Leptogenesis

W. Buchmüller|ArXiv.org|Apr 24, 2002

Neutrino Physics Research参考文献 3被引用数 13

ひとこと要約

この論文はニュートリノの性質、グランドユニフィケーション、およびレプトゲネシスをレビューし、SO(10)のグランドユニフィケーション理論における重い右巻きニュートリノが、CP対称性の破れを伴う崩壊によって宇宙論的バリオン非対称性を生成すると提案している。重いニュートリノの質量とニュートリノ混合角の大きな値が、観測と整合する10⁻⁹程度のバリオン非対称性を予測するが、初期条件に依存しない。

ABSTRACT

Data on solar and atmospheric neutrinos provide evidence for neutrino masses and mixings. We review some basic neutrino properties, the status of neutrino oscillations and implications for grand unified theories, including leptogenesis.

研究の動機と目的

• 実験的ニュートリノデータ（小さな質量と大きな混合角）をグランドユニフィケーション理論の構造と結びつけること。
• GUTモデルにおける熱的レプトゲネシスによって、宇宙論的物質-反物質非対称性の起源を説明すること。
• ニュートリノ質量行列とレプトン系におけるCP対称性の破れが、GUTスケールの物理学に与える制約を調査すること。
• SU(5)およびSO(10)モデルにおいて、微調整を必要とせずに成功するレプトゲネシスが可能かどうかを特定すること。
• レプトゲネシスモデルにおける初期条件の変化に対して、バリオン非対称性の予測がどの程度頑健であるかを評価すること。

提案手法

• GUTにおける軽いニュートリノ質量と重い右巻きニュートリノ質量の関係を、スイープ機構を用いて導出すること。
• ボルツマン方程式を用いて、重いニュートリノの数密度とレプトン非対称性の熱的時間発展をモデル化すること。
• CP非対称性を、ε₁ ≈ (3/16π)ε⁶|η|²/σ(1+|ρ|)²/(|η|²+|ρ|²)sin(ϕᵤ−αᵤ) の式を用いて計算すること。
• ディラックニュートリノと上クォークの質量行列が統一されるSO(10)モデルを分析し、レプトン混合角とクォーク混合角の関係を確立すること。
• ボルツマン方程式を数値的に解き、レプトン非対称性と重いニュートリノの密度の時間発展を追跡すること。
• 初期レプトン非対称性が非ゼロであるシナリオをシミュレートすることで、初期条件への感受性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SO(10) GUTにおける熱的レプトゲネシスは、微調整を必要とせず、観測されたバリオン非対称性を自然に生成できるか？
• RQ2 大きなニュートリノ混合角は、GUTモデルにおける重いメジャノナニュートリノ質量の階層にどのような制約を課えるか？
• RQ3 レプトン系におけるCP対称性の破れが、物質-反物質非対称性の生成に果たす役割は何か？
• RQ4 レプトゲネシスのシナリオにおいて、最終的なバリオン非対称性は初期条件にどの程度依存するか？
• RQ5 ニュートリノ振動データとクォーク混合パターンは、グランドユニフィケーション理論の構造をどの程度制約するか？

主な発見

• 観測されたバリオン非対称性（10⁻⁹程度）は、CP非対称性ε₁ ∼ 10⁻⁷およびM₁ ∼ 10⁹ GeVを有するSO(10)モデルで自然に再現される。
• 初期条件に依存しない。初期レプトン非対称性は、温度が10倍に変化する間に8桁も洗練されてしまう。
• SO(10)モデルでは、大きなニュートリノ混合角が、重いメジャノナニュートリノ質量の特定の階層を示し、クォーク質量階層と関連づけられる。
• CP非対称性ε₁は、クォーク質量行列のパラメータ、特に|η|、σ、および位相差ϕᵤ−αᵤに依存する。
• このモデルは、ニュートリノ無双ベータ崩壊やニュートリノ振動におけるCP対称性の破れといった観測可能なシグネチャを予測する。
• SU(5)モデルにおけるレプトゲネシスは、重いニュートリノの質量の選択に依存するが、SO(10)モデルは自由度が少なく、より予測可能なフレームワークを提供する。