[논문 리뷰] Baryogenesis and lepton number violation

Michael Pluemacher|ArXiv.org|1996. 04. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 SO(10) 대Unified 이론 프레임워크 내에서 열적 평형 상태에 있던 무거운 오른쪽 히터 미니어스 뉴트리노의 비평형 붕괴를 통해 바리온제너레이션 메커니즘을 제안한다. 게이지 상호작용은 붕괴 이전에 열적 평형을 보장한다. 이로 인한 렙톤 비대칭은 스팔레론 과정을 통해 관측된 바리온 비대칭으로 재처리되며, 성공적으로 $Y_{B} \approx 5 \times 10^{-10}$을 생성한다. 동시에 태양 및 대기 뉴트리노 데이터와 일치하는 가벼운 뉴트리노 질량과 혼합을 예측한다.

ABSTRACT

The cosmological baryon asymmetry can be explained by the nonperturbative electroweak reprocessing of a lepton asymmetry generated in the out-of-equilibrium decay of heavy right-handed Majorana neutrinos. We analyze this mechanism in detail in the framework of a SO(10)-subgroup. We take three right-handed neutrinos into account and discuss physical neutrino mass matrices.

연구 동기 및 목표

• 게이지 상호작용을 통해 무거운 오른쪽 뉴트리노의 열적 평형을 가능하게 하여 인플레이션과의 갈등을 해결하고자 한다.
• 비평형 상태에서 붕괴하는 무거운 메조나 뉴트리노의 렙톤 비대칭이 스팔레론 과정을 통해 관측된 바리온 비대칭을 생성할 수 있음을 보여주고자 한다.
• 관측된 바리온 비대칭과 저에너지 뉴트리노 현상학(태양 뉴트리노 결핍 및 약간의 eV 수준의 $\tau$-뉴트리노 질량 포함)을 동시에 설명할 수 있는 현실적인 뉴트리노 질량 행렬을 구축하고자 한다.
• 최종 바리온 비대칭이 초기 조건에 민감하지 않음을 보여주며, 이는 게이지 상호작용에 의해 붕괴 이전에 열적 평형이 확보되기 때문이다. 이는 이전 모델과 다름.

제안 방법

• 열적 및 비평형 조건 하에서 입자 수 밀도를 추적하기 위해 공동 부피 기준의 보른츠만 방정식을 수립하며, $Y_{\psi} = n_{\psi}/s$ 를 고려한다.
• 세 개의 오른쪽 뉴트리노를 포함한 시즈미 메커니즘을 사용하여 뉴트리노 질량을 계산하며, $m_{\nu} \approx m_D M^{-1} m_D^T$ 를 적용한다.
• 고온에서 오른쪽 뉴트리노 상호작용을 강화하기 위해 U(1)_{X} 아벨 게이지 대칭을 도입한다.
• 디르악 뉴트리노 질량 행렬의 복소 위상 요소를 이용해 붕괴에서의 $CP$ 비대칭을 계산하며, $\varepsilon_i \propto \text{Im}(\text{Tr}(m_D m_D^\dagger M^{-1}))$ 를 사용한다.
• 다중 무거운 뉴트리노 상태에 대해 보른츠만 방정식을 수치적으로 해결하며, 비대칭 생성에서 가장 가벼운 상태가 지배적임을 보여준다.
• 계층적인 매개변수 $\rho, \sigma, \tau, \zeta$ 를 포함한 질량 행렬을 구성하여 바리온 비대칭과 뉴트리노 현상학을 동시에 재현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SO(10) GUT 프레임워크 내에서 게이지 상호작용에 의해 열적 평형이 확보되는 조건에서, 무거운 오른쪽 뉴트리노의 렙톤 수 위반 붕괴를 통해 바리온 비대칭을 생성할 수 있는가?
• RQ2 스팔레론에 의해 재처리된 $B-L$ 비대칭이 관측된 $Y_B \approx 10^{-10}$을 생성하는가?
• RQ3 동일한 모형이 저에너지 뉴트리노 질량과 혼합, 특히 약간의 eV 수준의 $\tau$-뉴트리노 질량을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ4 게이지 상호작용에 의해 붕괴 이전에 열적 평형이 확보됨으로써 최종 바리온 비대칭이 초기 조건에 민감하지 않은가?
• RQ5 뉴트리노 질량 행렬의 어떤 매개변수 조합이 올바른 $Y_{B-L}$ 과 현상학적으로 타당한 뉴트리노 질량 및 혼합을 동시에 도출하는가?

주요 결과

• 모형은 스팔레론 재처리 후 관측된 바리온 비대칭과 일치하는 $B-L$ 비대칭 $Y_{B-L} = 5 \times 10^{-10}$ 을 생성한다.
• 게이지 상호작용에 의해 붕괴 이전에 열적 평형이 확보되므로, 최종 바리온 비대칭은 초기 무거운 뉴트리노 밀도에 민감하지 않다.
• 가장 가벼운 오른쪽 뉴트리노가 $CP$ 비대칭의 주요 기여를 하며, $\varepsilon_1 \approx -1.3 \times 10^{-6}$ 이고 $\varepsilon_2 \approx 4.6 \times 10^{-5}$ 이다.
• 모형은 $m_{\nu_e} \approx 8.9 \times 10^{-7}$ eV, $m_{\nu_\mu} \approx 1.9 \times 10^{-3}$ eV, $m_{\nu_\tau} \approx 2.2$ eV 의 가벼운 뉴트리노 질량을 예측하며, MSW 및 냉각+핫 디어크 마스터 모형과 일치한다.
• 레프톤 혼합 각도 $\sin^2 2\theta_{e\mu} \approx 0.009$ 는 태양 뉴트리노 진동의 MSW 조건을 충족한다.
• 재열 온도가 $10^8$ GeV 이하인 초대칭 인플레이션 시나리오에서도 모형이 타당하며, 이는 저온에서 작동하기 때문이다.