[論文レビュー] The Minimal Dimensionless Standard Model (MDSM) and its Cosmology

Latham Boyle, Shane Farnsworth+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 12被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、次元なし結合定数のみを用いる可重整化拡張として、最小次元なし標準模型（MDSM）、特にU(1)_{B-L}ゲージ対称性を持つMDSM 3を提案する。MDSM 3は、電弱対称性の spontaneously broken がコロンベール＝ワインバーグ機構によって実現され、スカラーインフレートンがインフレーションを実現し、非熱的レプトゲネシスによってダークマターとバリオン非対称性が生成され、さらに巨大な質量スケールの起源がすべて同一のスカラー真空期待値から生じる。これは、電弱対称性の破れ、インフレーション、ダークマター、バリオン非対称性の生成、そして大質量スケールの統一を、1つのスカラー真空期待値から同時に実現する、非常に予測可能性が高く経済的な、標準模型を越えた理論的枠組みと見なされる。

ABSTRACT

Consider the minimal renormalizable extension of the Standard Model with purely dimensionless couplings, successful electroweak symmetry breaking (via the Coleman-Weinberg mechanism) and a see-saw mechanism for neutrino mass: we will call this the Minimal Dimensionless Standard Model (MDSM). In fact, 3 closely related models fit the bill: MDSM_1, MDSM_2 and MDSM_3. We analyze the theoretical and observational constraints on these models. We argue that, when they are minimally coupled to gravity, they can accomplish several important cosmological tasks (inflation, dark matter, leptogenesis) in a way that is economical, predictive and tightly woven into the fabric of known physics. One of the models (MDSM_3), which includes an extra U(1)_{B-L} gauge symmetry, seems particularly promising.

研究の動機と目的

• 次元なし結合定数のみを用い、電弱対称性の破れとニュートリノ質量のシー・サウ方式を保ったまま、標準模型の最小限の可重整化拡張を同定すること。
• このようなモデルが、インフレーション、ダークマター、バリオゲネシスといった主要な宇宙論的現象を、追加の恣意的パラメータを導入することなく自然に実現できるかどうかを評価すること。
• 理論的および観測的制約、特に初期宇宙の力学的状況を踏まえて、MDSM 1、2、3のうちどのバージョンが最も適切であるかを特定すること。
• 最小カopleィングによる重力への結合を想定した場合、これらのモデルの宇宙論的妥当性を評価し、インフレーション、再熱、ダークマター制約との整合性を検証すること。

提案手法

• ゲージ群構造と場の内容が異なる3つのバリエーション（MDSM 1、2、3）を、すべての結合定数が次元なしで、明示的な質量項を含まない形で構築する。
• Gildener-Weinberg形式を用いてコロンベール＝ワインバーグ対称性の破れを分析し、完全な有効ポテンシャルを計算することなく、新しいボソン質量の下限と重いニュートリノ質量の上限を導出する。
• スカラー場ψ∥を、初期状態から対称性破れ真空期待値へと進化するGildener-Weinberg方向に沿うインフレートン候補と特定する。
• インフレートンが重いニュートリノに崩壊する過程を用いて、インフレーションの予測（スペクトル指数、テンソル対スカラー比、再熱温度）を計算する。
• 非熱的レプトゲネシスの評価を、インフレートンが重いニュートリノに崩壊する過程を分析することで行い、観測されたバリオン非対称性とダークマターの残存密度が生成される条件を同定する。
• MDSM 3における複素スカラーφの役割を評価し、(B-L)対称性の破れ、Z′ボソンの質量生成、ニュートリノ質量の媒介、インフレートンおよびダークマター候補のすべてを、その大きな真空期待値によって実現している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 次元なし結合定数のみを用いる可重整化拡張の標準模型が、シー・サウ方式によるニュートリノ質量と電弱対称性の破れを再現できるか。
• RQ2 提案された3つのMDSMバージョン（MDSM 1、2、3）のうち、どのバージョンが自然にインフレーション、ダークマター、レプトゲネシスを統合的枠組みで実現できるか。
• RQ3 これらのモデルにおけるインフレーションのシナリオは、コロンベール＝ワインバーグ機構から導かれる質量制限と、成功した再熱の要件を満たしているか。
• RQ4 観測されたダークマター密度とバリオン非対称性が、すべてインフレートンの非熱的崩壊から重いニュートリノが生成されるプロセスによって実現可能か。
• RQ5 MDSM 3にU(1)_{B-L}ゲージ対称性を含めることで、右巻きニュートリノの存在に理論的根拠が与えられるか、それとも現象論的必要性を超えた深い理論的正当性が得られるか。

主な発見

• U(1)_{B-L}ゲージ対称性を含むMDSM 3が、唯一、すべての宇宙論的制約を満たす。インフレーションを支持し、非熱的レプトゲネシスによってダークマターとバリオン非対称性を生成し、コロンベール＝ワインバーグ機構からの質量制限と矛盾しない。
• MDSM 3におけるスカラー場φは、複数の役割を果たす：メジャノヤ・ユカワ結合によってニュートリノ質量を媒介し、(B-L)ゲージ対称性を破りZ′ボソンの質量を生成し、インフレートンおよびダークマター候補としても機能する。これらすべてが、その大きな真空期待値に起因する。
• MDSM 3におけるインフレートンは、最も重いボソンとフェルミオンの間の明確な質量関係を予測し、初期宇宙の摂動の観測的制約（スペクトル指数が約0.96、テンソル対スカラー比が小さい）と整合的である。
• インフレーション後の再熱温度は約10^9 GeVに達し、成功したレプトゲネシスと可視宇宙セクターの熱化要件を満たしている。
• ダークマターが非熱的で重いステアラ・ニュートリノとしてインフレートンの崩壊から直接生成される場合、1つの軽いニュートリノが本質的に質量ゼロでなければならないと予測される。
• MDSM 3における巨大な質量スケール（Z′ボソン質量、重いニュートリノ質量、ρ∥ボソン質量、インフレートンの真空期待値）は、すべて同一の大きなスカラーφの真空期待値に起因しており、質量スケールの驚くべき経済的統一性を示している。