[論文レビュー] Source of CP Violation for the Baryon Asymmetry of the Universe

George W. S. Hou|ArXiv.org|Oct 19, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、トップ・プライム（t′）およびボトム・プライム（b′）クォークに対して大きなユカワカップリングを有する第四クォーク世代が、CP対称性の破れを10^13以上増幅させ得ることを提案している。この増幅は、4世代の標準模型における支配的であるジャルスコ・インバリアントに起因し、テバトロンおよびLHCにおけるBs→J/ψϕ崩壊における測定可能なCP対称性の破れが、その主要な実験的検証手段となる。

ABSTRACT

How to account for the matter predominance of our Universe is a fundamental issue at the core of our existence. One condition is CP violation, but the Standard Model falls short by more than $10^{-10}$. Taking cue from a recent result from the $B$ factories, we find that a fourth quark generation can provide enhancement by a factor of $10^{13}$ or more. This could be the source of CP violation for the baryon asymmetry of the Universe. The main source of enhancement is the large Yukawa couplings of the heavy $t^\prime$ and $b^\prime$ quarks. With indications for a new, large CP violating phase $\sin2Φ_{B_s}$ emerging at the Tevatron, our suggestion can be verified or refuted at the LHC in the next few years.

研究の動機と目的

• 標準模型が観測された宇宙のバリオン非対称性（BAU）を説明するのに不十分なCP対称性の破れを解消すること。
• 特に重いt′およびb′クォークを有する第四クォーク世代が、CP対称性の破れを顕著に増幅させ得るかどうかを調査すること。
• 実験的兆候としてのBs混合における大きなCP対称性の破れ（例：sin 2ΦBs ≈ -0.5 から -0.7）を、4世代モデルが説明可能であるかを検討すること。
• 標準模型が10^10の要因で失敗する中、4世代モデルがバリオゲネシスに十分なCP対称性の破れを提供できるか、その妥当性を検証すること。

提案手法

• CP対称性の破れのジャルスコ不変量を4世代に拡張し、s-bクォーク遷移を含む新しい支配的CP対称性の破れ測度J_{2,3,4}^{sb}を導出する。
• PQCD因子化アプローチを1次および次歪みの順に用いて、B中間子崩壊におけるCP不変量を計算し、ΔA_{Kπ}およびΔS_{Kπ}効果を含む。
• b→s遷移におけるZ・ペンギンおよび電弱ペンギン図の役割を分析し、大きなユカワカップリングにより重いt′およびb′クォークがデカップリングしないことの重要性を強調する。
• 4世代のユニタリティトライアングルフレームワークにおいて、クォーク質量および混合角の大きさがs頂点における大きな位相角を生じることを示す。
• CERNのCDFおよびテバトロンからの実験データと比較し、4世代モデルによるsin 2Φ_{B_s}の予測を評価する。また、レアなカイオン崩壊およびZ→bbからの制約を用いる。
• 大規模なユカワカップリングが摂動的でない範囲に達することで、4世代モデルにおける強い一次相転移が可能かどうかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第四クォーク世代の導入により、標準模型の10^{-10}の不足分を上回るCP対称性の破れが顕著に増幅されるか？
• RQ2 4世代クォーク系におけるCP対称性の破れの支配的要因は何か？ また、3世代のジャルスコ不変量と比較してどう異なるか？
• RQ3 Bs→J/ψϕ崩壊における観測された大きなCP対称性の破れ（sin 2Φ_{B_s} ≈ -0.5 から -0.7）は、重いt′およびb′クォークを有する4世代モデルで説明可能か？
• RQ4 4世代モデルは、電弱バリオゲネシスに必要な強い一次相転移を可能にするか？
• RQ5 LHCおよびテバトロン実験は、4世代のCP対称性の破れと標準模型の予測を区別できるか？

主な発見

• 4世代モデルは、CP対称性の破れをジャルスコ不変量で10^13以上増幅させ、m_{t′,b′} ≈ 600 GeVのときには10^15まで上昇する可能性がある。
• 4世代モデルにおける支配的CP対称性の破れは、t′およびb′の大きなユカワカップリングにより、J_{2,3,4}^{sb}不変量に起因し、SM3のそれよりも顕著に大きい。
• モデルは、sin 2Φ_{B_s} ≈ -0.5 から -0.7を予測し、CDFの測定結果と整合的であり、標準模型の予測（≈ -0.04）とは著しく対照的である。
• ΔA_{Kπ}の符号および大きさは、4世代モデルで説明可能であり、現在のデータと非自明な整合性を示しており、色抑制の木図式とは異なり、新物理（NP）起源を支持する。
• b→d遷移は、2-3-4世代有効クォーク系の支配的性質により、標準模型に類似したまま維持され、SMに類似したユニタリティトライアングル構造を保つ。
• モデルは、大規模なユカワカップリングが摂動的でない範囲に達することで、強い一次相転移を介した電弱バリオゲネシスの可能性を示唆している。