[論文レビュー] Resonant Flavor Oscillations in Electroweak Baryogenesis

Vincenzo Cirigliano, Christopher Lee+1 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Jun 3, 2011

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、電弱ビアジェネシスにおける一貫性のあるパワー・カウンティング枠組みを構築し、非平衡場理論を用いてCP対称性の破れを伴うフラーバー振動、衝突、拡散を厳密に取り扱う。壁の厚さとフラーバー振動長が一致する際に電荷生成に共鳴増幅が生じることを特定し、従来の取り扱い、特にKPSSがパワー・カウンティングの誤りにより非対称性の高い相における電荷を過小評価しており、最終的なバリオン数非対称性も顕著に過小評価されていることを示している。

ABSTRACT

Electroweak baryogenesis (EWBG) in extensions of the Standard Model will be tested quantitatively in upcoming nuclear and particle physics experiments, but only to the extent that theoretical computations are robust. Currently there exist orders-of-magnitude discrepancies between treatments of charge transport dynamics during EWBG performed by different groups, each relying on different sets of approximations. In this work, we introduce a consistent power counting scheme (in ratios of length scales) for treating systematically the dynamics of EWBG: CP-asymmetric flavor oscillations, collisions, and diffusion. Within the context of a simplified model of EWBG, we derive the relevant Boltzmann equations using non-equilibrium field theory, and solve them exactly without ansatz for the functional form of the density matrices. We demonstrate the existence of a resonant enhancement in charge production when the flavor oscillation length is comparable to the wall thickness. We compare our results with the existing treatment of EWBG by Konstandin, Prokopec, Schmidt, and Seco (KPSS) who previously identified the importance of flavor oscillations in EWBG. We conclude: (i) the power counting of KPSS breaks down in the resonant regime, and (ii) this leads to substantial underestimation of the charge generated in the unbroken phase, and potentially of the final baryon asymmetry.

研究の動機と目的

• 電弱ビアジェネシス（EWBG）における電荷輸送ダイナミクスの理論的取り扱いに長年の不一致を解消すること。
• フラーバー振動、衝突、拡散の長さスケール比に基づく体系的なパワー・カウンティングスキームを確立すること。
• 密度行列の関数形を仮定せずに、非平衡場理論を用いてボルツマン方程式を正確に導出し、解くこと。
• 特にKPSSの取り扱いの妥当性を、共鳴領域での崩壊を特定することで評価すること。
• 共鳴的フラーバー振動が電荷生成および最終的なバリオン数非対称性に与える影響を定量化すること。

提案手法

• シュヴィンガー＝ケルディッシュ図形上での非平衡場理論を用いて、2フラーバー密度行列の運動方程式を導出する。
• 壁の厚さ、振動長、逆温度の長さスケール比に基づく一貫性のあるパワー・カウンティングスキームを適用する。
• 非対角密度行列の関数形を仮定せずに、ボルツマン方程式を正確に解く。
• すべての源項および衝突項（対角分布の平衡からのずれに起因するものも含む）を特定し、保持する。
• KPSSの取り扱いと比較し、共鳴領域におけるパワー・カウンティングの失敗を明らかにする。
• 時間に依存するCP対称性の破れを伴う質量混合項と熱浴との相互作用を有する簡略化モデルを用い、主要なダイナミクスを分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フラーバー振動長が壁の厚さと同等になる共鳴領域において、KPSSのパワー・カウンティングスキームは依然として有効であるか？
• RQ2 フラーバー振動、衝突、拡散を一貫して取り扱った場合、CP非対称な電荷生成の真の大きさはいかほどか？
• RQ3 なぜ従来の取り扱いでは非対称性の高い相における電荷およびそれに続くバリオン数非対称性が過小評価されているのか？
• RQ4 密度行列の近似や仮定に依存せずに、電荷生成の共鳴増幅を厳密に導出できるか？
• RQ5 衝突に起因する非対角密度行列成分への源項の役割は何か？なぜこれらはしばしば無視されるのか？

主な発見

• フラーバー振動長が壁の厚さと同等になる領域で、電荷生成に共鳴増幅が生じ、生成される電荷が顕著に増加する。
• KPSSのパワー・カウンティングスキームは共鳴領域で崩壊し、非対称性の高い相における電荷を体系的に過小評価している。
• 源項における対角分布の平衡からのずれを無視することで、電荷拡散および最終的なバリオン数非対称性が顕著に抑制される。
• 非対角密度行列に対する衝突に起因する源項は無視できないものであり、アディアバティック領域でさえも保持すべきである。
• パワー・カウンティングスキームにおいてすべての成分が同程度のオーダーであるため、運動方程式の行列構造を一次の非自明なオーダーで保持する必要がある。
• KPSSで用いられた近似解はアディアバティック極限では有効であるが、$ f_{12} $ が対角密度の進化から分離されるため、完全なダイナミクスを捉えておらず、適切な拡散を実現できない。