[논문 리뷰] Baryogenesis from dark matter in an inflationary universe

Wan-Zhe Feng, Anupam Mazumdar외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 31.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 인플레이션 우주에서 인플라톤이 어둠의 세분으로 붕괴되어 CP-비위반 양자역학적 쿠퍼 상호작용를 통해 비대칭 어둠의 물질을 생성하는 비대칭 생성 메커니즘을 제안한다. 이로 인해 발생하는 B-L 비대칭은 비대칭 전달 과정을 통해 가시세계로 전달되며, 스파일레론 과정을 통해 바리온 생성이 가능해지며, 이 모델은 보손성 및 페르미온성 상태를 포함하는 다성분 어둠의 물질을 예측한다.

ABSTRACT

We consider the possibility that in an inflationary universe, the inflaton field decays purely into the dark sector creating asymmetric dark matter at the end of inflation. This asymmetry is subsequently transmuted into leptons and baryons. We consider this possibility in the framework of a generic inflation model, and compute the amount of asymmetric dark matter created from the out of equilibrium decays of the inflaton with CP violating Yukawa couplings. The dark matter asymmetry is then transferred to the visible sector by the asymmetry transfer equation and generates an excess of $B-L$. Baryogenesis occurs via sphaleron processes which conserve $B-L$ but violate $B+L$. A mechanism for the annihilation of the symmetric component of dark matter is also discussed. The model leads to multi-component dark matter consisting of both bosonic and fermionic components.

연구 동기 및 목표

• 인플라톤의 붕괴가 어둠의 세분으로만 이루어지는 인플레이션 우주에서 바리온 생성 메커니즘을 탐색하는 것.
• 초기 어둠의 물질 비대칭이 어떻게 가시세계의 네트워크 B-L 비대칭으로 전환될 수 있는지 조사하는 것.
• B-L 비대칭을 바리온 비대칭으로 전환하면서도 B-L를 보존하는 스파일레론 과정의 역할을 검토하는 것.
• 과잉 폐쇄를 방지하기 위해 대칭 어둠의 물질의 캐릭터를 분석하여 억제하는 메커니즘을 포함하는 것.
• 페르미온성 및 보손성 구성요소를 모두 포함하는 다성분 어둠의 물질 모델을 구축하는 것.

제안 방법

• CP-비위반 양자역학적 쿠퍼 상호작용를 갖는 비평형 붕괴를 사용하여 인플라톤의 어둠의 세분으로의 붕괴를 모델링하여 초기 어둠의 물질 비대칭을 생성하는 것.
• 어둠의 물질 비대칭을 가시세계로, 특히 B-L 양자수로 전달하는 데에 비대칭 전달 방정식을 적용하는 것.
• B-L를 보존하지만 B+L를 위반하는 것으로 알려진 스파일레론 과정을 사용하여 전달된 B-L 비대칭을 순수 바리온 비대칭으로 전환하는 것.
• 대칭 어둠의 물질의 캐릭터를 억제하여 과잉 폐쇄를 방지하기 위한 메커니즘을 통합하는 것.
• 비대칭 전달 효율과 최종 바리온-엔트로피 비율을 계산할 수 있는 일반적인 인플레이션 모델 프레임워크를 구축하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인플라톤의 붕괴가 CP-비위반 상호작용를 통해 어둠의 물질의 초기 비대칭을 생성할 수 있는가?
• RQ2 어둠의 물질 비대칭이 B-L 비대칭으로 가시세계로 얼마나 효율적으로 전달될 수 있는가?
• RQ3 전달된 B-L 비대칭이 얼마나 효율적으로 바리온 비대칭으로 전환될 수 있는가?
• RQ4 대칭 어둠의 물질의 붕괴가 모델의 타당성에 미치는 제약 조건은 무엇인가?
• RQ5 페르미온성 및 보손성 구성요소의 관점에서 어둠의 물질의 최종 조성은 어떠한가?

주요 결과

• 모델은 어둠의 세분에서 가시세계로의 B-L 비대칭 전달을 통해 순수 바리온 비대칭을 성공적으로 생성한다.
• CP-비위반 위상과 쿠퍼 상호작용 강도가 적절히 조정된 경우, 관측된 값과 일치하는 바리온 비대칭이 생성된다.
• 어둠의 물질의 대칭 성분은 효율적으로 붕괴되어 과잉 폐쇄를 방지하며, 천체관측 결과와의 일치성을 확보한다.
• 최종 어둠의 물질 성분은 페르미온성 및 보손성 상태로 이루어져 있어 다성분 어둠의 물질 시나리오를 형성한다.
• 이 메커니즘은 일반적인 인플레이션 프레임워크 내에서 작동하므로, 인플라톤 포텐셜의 특정 모델 세부사항에 대해 강건하다.