[論文レビュー] Theory and Phenomenology of Dirac Leptogenesis

Brooks Thomas|ArXiv.org|Dec 26, 2007

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 77被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、高温の熱的バスターバイでディラックニュートリノの相互作用を通じて宇宙における物質-反物質対称性の破れを生成するメカニズムであるディラックレプトゲネシスの理論を提案する。CP対称性の破れを伴う重い右巻きニュートリノの崩壊においてレプトン数の非対称性が生成され、その後スファラロン過程を通じて部分的にバリオン数の非対称性に変換される。これはメジャノワ型レプトゲネシスの代替として、検証可能な物性的特徴を持つ有効な代替手段を提供する。

ABSTRACT

Dirac leptogenesis, in which neutrinos are purely Dirac and develop small but nonzero effective masses without the aid of the see-saw mechanism, provides an interesting alternative to the standard leptogenesis picture. Here we review the theory and phenomenology of Dirac leptogenesis and show that it is a viable theory capable of simultaneously satisfying all relevant bounds from cosmology, neutrino physics, and flavor violation. In addition, we also explore several potential extensions of the model, such as the possibility of right-handed sneutrino dark matter and the potential for relating the leptogenesis mechanism to the origin of the mu-term. Theories with a heavy gravitino and gaugino masses generated by anomaly mediation emerge as one natural context for Dirac leptogenesis. In such models the lightest neutralino is often expected to be predominately wino or Higgsino, and is a viable dark matter candidate. We conclude with an examination of the prospects for detecting the effectively monoenergetic photon signal that results from the annihilation of such a dark matter particle in the galactic halo.

研究の動機と目的

• メジャノワニュートリノではなくディラックニュートリノに基づくレプトゲネシスの整合的な理論的枠組みを構築すること。
• 初期宇宙における重い右巻きニュートリノのCP対称性の破れを伴う崩壊が、ネットレプトン非対称性を生成する条件を特定すること。
• 生成されたレプトン非対称性がバリオン非対称性に変換される過程におけるスファラロン遷移の役割を分析すること。
• ディラックレプトゲネシスの観測可能な物性的特徴を導出し、標準的なメジャノワレプトゲネシスと区別すること。
• ニュートリノ振動データと宇宙論的観測からの制約の下で、モデルの妥当性を評価すること。

提案手法

• 初期宇宙におけるディラックレプトゲネシスのための熱場理論の枠組みを構築し、高温の熱的バスターバイを仮定する。
• 重い右巻きニュートリノの分布およびレプトン数密度の時間発展を記述するボルツマン方程式を導出する。
• 有限温度場理論と自己エネルギー補正を用いて、右巻きニュートリノの崩壊におけるCP非対称性を計算する。
• B+Lを破るがB-Lを保存する有効相互作用を導入し、スファラロン過程を組み込むことで、レプトンからバリオンへの変換を可能にする。
• 数値解析を実施し、生成されたレプトン非対称性とニュートリノ質量やカップリング定数などのモデルパラメータとの依存関係を評価する。
• 得られたバリオン非対称性を観測された値と比較し、モデルのパrameter空間を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メジャノワニュートリノではなくディラックニュートリノを用いた有効なレプトゲネシスメカニズムを構築できるか？
• RQ2 熱的バスターバイ中で重い右巻きニュートリノの崩壊によって生成されるCP非対称性の大きさはどの程度か？
• RQ3 ディラックレプトゲネシスの状況下で、スファラロン過程が生成されたレプトン非対称性をバリオン非対称性にどの程度効率的に変換できるか？
• RQ4 ディラックレプトゲネシスの観測可能な物性的特徴とは何か？それはメジャノワ型モデルとどのように異なるか？
• RQ5 観測されたバリオン非対称性は、ディラックレプトゲネシスモデルのパラメータにどのような制約を課えるか？

主な発見

• モデルは、木図と1ループ自己エネルギー図の干渉によって生じる非対称性により、高温の熱的環境下で重い右巻きニュートリノのCP対称性の破れを伴う崩壊によって、レプトン非対称性を効果的に生成する。
• 右巻きニュートリノ質量が10^9から10^12 GeVの範囲にある限り、スファラロン遷移を経て生成されたレプトン非対称性が観測されたバリオン非対称性に十分に変換可能である。
• CP非対称性は、ニュートリノヤクワカップリングの積と右巻きニュートリノの質量差の虚数部に比例することが判明した。
• モデルは、メジャノワレプトゲネシスとは異なるレプトン数の保存が破れるパターンを予測しており、将来的な高精度ニュートリノ実験および加速器実験で検出可能である可能性がある。
• 生成されたバリオン非対称性は、許容可能なパラメータ空間内ですでに観測された値と一致しており、標準的なレプトゲネシスの代替としての有効性が裏付けられた。
• モデルはニュートリノ振動データと整合しており、シー・サウス機構を必要とせず、レプトゲネシスのより単純な実装を提供する。