[論文レビュー] Theories and Experiments for Testable Baryogenesis Mechanisms: A Snowmass White Paper

J. Barrow, L. J. Broussard+17 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Computational Physics and Python Applications被引用数 9

ひとこと要約

このSnowmass白書は、ポスト・スファレオンビアジェネシス、電弱ビアジェネシス、メゾジェネシス、低スケールレプトゲネシスの4つの検証可能なビアジェネシスメカニズムをレビューし、それらの理論的基盤と実験的探査を強調している。中性子-反中性子振動、電気双極子モーメント、$0 u\beta\beta$崩壊、コライダーの証拠、重力波、および将来の中性子施設が、これらのモデルを検証するための主要な道筋であると特定しており、中心的な貢献は、各ビアジェネシスのパラダイムの妥当性と関連する具体的な実験的感度を結びつけるロードマップを提示することにある。

ABSTRACT

The baryon asymmetry of the Universe is one of the central motivations to expect physics beyond the Standard Model. In this Snowmass white paper, we review the challenges and opportunities in testing some of the central paradigms that predict physics at scales low enough to expect new experimental data in the next decade. Focusing on theoretical ideas and some of their experimental implications, in particular, we discuss neutron-antineutron transformations, flavor observables, next generation colliders, future neutron facilities, gravitational waves, searches for permanent electric dipole moments, $0νββ$ decay and some future large underground experiments as methods to test post-sphaleron baryogenesis, electroweak baryogenesis, mesogenesis and low scale leptogenesis. Finally, we comment on the cases where high scale physics can be probed through some of these same mechanisms.

研究の動機と目的

• 近い将来の実験データで探査可能なテスト可能なビアジェネシスメカニズムを特定・評価すること。
• $\mathcal{B}-\mathcal{L}$ 違反とCP違反を含むビアジェネシス理論的モデルを、明確な実験的兆候と結びつけること。
• コライダー、ニュートリノ実験、重力波検出器、ビームダンプなど、複数の実験的フロントが、物質-反物質非対称性の起源をどのように補完的に探査できるかを評価すること。
• TeVスケールのエネルギーでレプトン数違反が観測された場合、それが高スケールレプトゲネシスモデルを反証する可能性があるかを評価すること。
• 物質-反物質非対称性の謎を解明するための理論的・実験的リソースの優先順位を示すロードマップを提供すること。

提案手法

• 将来の施設（例：欧州スパルターションソースのNNBAR）での実験的検出を想定し、中性子-反中性子（$n \to \bar{n}$）振動の寿命に関する予測を通じて、ポスト・スファレオンビアジェネシスを分析する。
• 高感度の永久電気双極子モーメント（EDM）探索、CP違反のコライダー探査、強力な一次相転移に伴う重力波信号を通じて、電弱ビアジェネシスを評価する。
• 標準模型のメソンにおけるCP非対称性と、新たなバリオン数違反を伴うハドロン崩壊の予測を通じて、メゾジェネシスを調査する。現在、Belle、BaBar、LHCbで探索が進行中である。
• 質量がほぼ degenerate な重い中性レプトン（HNL）の役割を通じて、低スケールレプトゲネシスを検討し、ビームダンプ、コライダー、$0\nu\beta\beta$崩壊実験におけるそれらの生成と崩壊を分析する。
• 有効場理論と簡略化モデルを用いて、$R_{ll} = \Gamma(\text{HNL} \to ll)/\Gamma(\text{HNL} \to \ell \ell \gamma)$ や $U_{\ell}^2$ 混合パラメータなどの観測量を計算し、HNLの制約を求める。
• コライダーでの同符号二レプトンの探査と $0\nu\beta\beta$ 崩壊の組み合わせを通じて、$B+L$ 違反を伴うスファレオンによる洗い流しによって、高スケールレプトゲネシスモデルを検証または除外する可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 今後10年以内に中性子-反中性子振動が検出可能となるか。また、その場合、ポスト・スファレオンビアジェネシスにどのような意味を持つのか。
• RQ2 電気双極子モーメント探索と重力波観測が、強力なCP違反を伴う電弱ビアジェネシスモデルをどの程度まで検証できるか。
• RQ3 観測されたバリオン数非対称性は、メソン崩壊におけるCP非対称性によってメゾジェネシスで説明可能か。また、予測される特異なハドロン崩壊モードは何か。
• RQ4 $0\nu\beta\beta$ 崩壊におけるレプトン数違反の観測、またはコライダーでの観測が、スファレオンによる洗い流しによって高スケールレプトゲネシスモデルを除外できるか。
• RQ5 重い中性レプトンの混合パラメータと質量が、ニュートリノ質量とバリオン数非対称性の両方を同時に生成する役割をどの程度制約するか。

主な発見

• 今後10年間で、中性子-反中性子振動の探索感度は3桁向上すると予想されており、ESSのNNBAR施設は $\tau_{n \to \bar{n}} \gtrsim 10^{32}$ 年の感度を目指している。
• 電弱ビアジェネシスは、CP違反源が大きく、バブル壁の速度が十分に遅い場合にのみ妥当性を保つ。一次相転移に伴う重力波信号は、その探査の可能性を提供する。
• メゾジェネシスは、メソンの新たなバリオン数違反を伴うハドロン崩壊を予測しており、Belle、BaBar、LHCbで既に専用の探索が進行中であり、将来のカリウムおよびハイパーヨン工場が感度を向上させる見込みである。
• $0\nu\beta\beta$ 崩壊が、重ねられたニュートリノの交換など、標準模型以外のメカニズムによって観測された場合、スファレオンによる洗い流しを防げるような保護機構がない限り、標準的な高スケールレプトゲネシスモデルは除外される。
• LHCでの同符号二レプトンの証拠（運動量の欠落なし）が観測された場合、強い洗い流しが生じており、高スケールレプトゲネシスモデルは除外され、低スケールビアジェネシスが示唆される。
• $0\nu\beta\beta$ 崩壊とコライダーでのレプトン数違反探査の相乗効果により、補完的な感度が得られる。$0\nu\beta\beta$ 崩壊は第一世代レプトンに限定されるが、コライダーは第二・第三世代のシグナルを探査可能であり、全フレーバーの等化テストが可能になる。