[論文レビュー] TASI 2006 Lectures on Leptogenesis

Mu–Chun Chen|ArXiv.org|Mar 7, 2007

Quantum and Classical Electrodynamics参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、非零なニュートリノ質量との関連を強調しながら、宇宙初期における物質-反物質対称性の生成メカニズムとしてのレプトゲネシスをレビューしている。標準的および非標準的状況—特に共鳴的、ソフト的、非熱的レプトゲネシス—を詳述し、ニュートリノ系におけるフラバー効果とCP対称性の破れが、非対称性生成を強化するメカニズムを示している。主な結果として、低エネルギーにおけるCP対称性の破れが、成功したレプトゲネシスを示唆する可能性があることが示された。

ABSTRACT

The origin of the asymmetry between matter and anti-matter of the Universe has been one of the great challenges in particle physics and cosmology. Leptogenesis as a mechanism for generating the cosmological baryon asymmetry of the Universe has gained significant interests ever since the advent of the evidence of non-zero neutrino masses. In these lectures presented at TASI 2006, I review various realizations of leptogenesis and allude to recent developments in this subject.

研究の動機と目的

• 初期宇宙における物質-反物質非対称性問題の理論的枠組みを説明すること。
• B+Lを破る過程を通じて、非零なニュートリノ質量がレプトゲネシスを可能にする役割を分析すること。
• レプトゲネシスの超対称的拡張におけるグレイプチノ過剰生成問題を扱うこと。
• 低エネルギーにおけるニュートリノ振動のCP対称性の破れと高エネルギーにおけるレプトゲネシスとの関係を探索すること。
• 古典的ボルツマン方程式が、レプトゲネシスの量子散乱過程を記述する際に、どの程度不十分であるかを検討すること。

提案手法

• バリオン数の破れ、CP対称性の破れ、熱的平衡からの逸脱というサハロフの3条件を、ビッグバン初期のバリオン生成の基礎として用いる。
• 重い右手系ニュートリノの崩壊における1ループ自己エネルギー補正および頂点補正を用いて、レプトン非対称性パラメータ $\epsilon_1$ を1フラバー近似で計算する。
• Maki-Nakagawa-Sakata (MNS) 混合行列とウォッシュアウト要因を用いて、個々のフラバー非対称性 $\epsilon_\alpha$ を計算することで、フラバー効果を組み込む。
• 右隣および左隣の系におけるCP位相を分離するために、ディラックヤクバ行列 $h = v^{-1} M^{1/2} R m^{1/2} U^\dagger$ の直交パラメータ化を導入する。
• 共鳴的レプトゲネシス（$\mathcal{N}_1$ 共鳴を介して）やソフトレプトゲネシス（$R$-奇性破れ相互作用を介して）を含む非標準的状況を分析する。
• 量子干渉を適切に扱うために、閉時系列経路（CTP）形式に基づく量子ボルツマン方程式の必要性を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非零なニュートリノ質量の下で、レプトゲネシスはどのように観測されたバリオン非対称性を生成するのか？
• RQ2 フラバー効果は、レプトン非対称性生成の効率および大きさにどのような影響を与えるか？
• RQ3 超対称的レプトゲネシスにおいてグレイプチノ問題が生じる理由は何か？ そして、どのように緩和できるか？
• RQ4 ニュートリノ振動における低エネルギーCP対称性の破れ、あるいはゼロニュートリノ双ベータ崩壊が、成功したレプトゲネシスを示唆する可能性はあるか？
• RQ5 古典的ボルツマン方程式は、レプトゲネシスのダイナミクスにおける量子効果をどの程度正しく捉えていないか？

主な発見

• 宇宙のバリオン非対称性は、CMBおよびビッグバン核合成データから導かれた $\eta_B = (6.1 \pm 0.3) \times 10^{-10}$ と定量的に整合している。
• フラバー効果により、1フラバー近似と比較して、最終的なレプトン非対称性は2〜3倍に増幅される可能性がある。
• 右隣ニュートリノ系がCP対称であるモデルでは、左隣系の低エネルギーCP位相は $\epsilon_1$ に寄与しないが、$R$ の位相が非自明であれば、フラバー依存の非対称性 $\epsilon_\alpha$ は依然として非対称性を生成できる。
• 非対称性パラメータ $\epsilon_1$ は $\epsilon_1 = -\frac{3M_1}{16\pi v^2} \frac{\text{Im}(\sum_\rho m_\rho^2 R_{1\rho}^2)}{\sum_\beta m_\beta |R_{1\beta}|^2}$ で与えられ、直交行列 $R$ がCP位相を符号化している。
• $T < 10^{12}$ GeV の領域では、フラバー効果を含める必要があり、個々のフラバー非対称性は $\epsilon_\alpha = -\frac{3M_1}{16\pi v^2} \frac{\text{Im}(\sum_{\beta\rho} m_\beta^{1/2} m_\rho^{3/2} U_{\alpha\beta}^* U_{\alpha\rho} R_{1\beta} R_{1\rho})}{\sum_\beta m_\beta |R_{1\beta}|^2}$ で与えられる。
• 現在の古典的ボルツマンアプローチは、散乱項における量子干渉を正しく扱えないため、閉時系列経路（CTP）形式に基づく量子的取り扱いが不可欠である。