[논문 리뷰] Cosmological Baryon Asymmetry and Neutrinos: Baryogenesis via Leptogenesis in Supersymmetric Theories

Koichi Hamaguchi|ArXiv.org|2002. 12. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 67인용 수 14

한 줄 요약

이 학위논문은 초대칭 이론에서 중성자 붕괴에 의한 렙톤 비대칭이 스파일러론 과정에 의해 바리온 비대칭으로 전환되는 메커니즘을 제안한다. 주요 결과는 성공적인 렙톤 생성을 위해 $B-L$ 위반이 필요하며, 초기 렙톤 비대칭이 충분해야 하며, 초기 우주에서의 중성미자 과잉 생성과 열적 세척 효과에 의해 제약을 받는다.

ABSTRACT

Leptogenesis in supersymmetric model is discussed comprehensively and in detail. In the first half, we discuss several leptogenesis mechanisms by the decay of heavy right-handed neutrino, which include the standard thermal leptogenesis, leptogenesis via inflaton decay, and leptogenesis from the coherent oscillation of the right-handed sneutrino. In the second half, we perform a detailed analysis on the leptogenesis via the LHu flat direction (Affleck-Dine leptogenesis).

연구 동기 및 목표

• 우주의 관측된 바리온 비대칭을 초대칭 모델에서의 렙톤 생성을 통해 설명하기 위해.
• 무거운 오른쪽 수성자 붕괴에 의해 생성된 렙톤 비대칭이 스파일러론 과정을 통해 순수한 바리온 비대칭으로 이르는 방식을 조사하기 위해.
• 성공적인 바리온 생성을 위한 열적 세척, 중성미자 과잉 생성, 그리고 $B-L$ 위반의 필요성에 의해 가로막히는 제약 조건을 분석하기 위해.
• MSSM의 평탄한 방향, 예를 들어 $LH_u$ 평탄한 방향을 통한 대체 렙톤 생성 메커니즘을 탐색하고, 천체물리적 제약 조건 하에서의 실현 가능성을 분석하기 위해.

제안 방법

• 초기 우주에서 $CP$-위반이 일어나는 과정을 통해 무거운 오른쪽 수성자 붕괴를 통해 렙톤 비대칭을 생성한다.
• 바리온 생성의 사크하로프 조건을 적용하며, 바리온 위반 대신 $B-L$ 위반을 도입하여 스파일러론 세척에 의한 비대칭 소실을 방지한다.
• MSSM에서의 $LH_u$ 평탄한 방향을 렙톤 비대칭의 원천으로 삼아 공진적 진동과 붕괴를 통해 분석한다.
• 효과적 포텐셜과 운동 방정식을 사용하여 평탄한 방향 장의 초기 진폭과 위상으로부터 렙톤 비대칭을 유도한다.
• 가우지된 $U(1)_{B-L}$ 대칭에 의해 가로막히는 조건을 평가하며, 조기에 진동하거나 세척되는 것을 방지하기 위한 조건을 포함한다.
• 재가열과 인플라톤 붕괴가 오른쪽 수성자 생성 및 이후의 렙톤 생성에 미치는 영향을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무거운 오른쪽 수성자 붕괴를 통해 초대칭 이론에서 어떤 방식으로 렙톤 비대칭을 생성할 수 있는가?
• RQ2 스파일러론 과정이 생성된 바리온 비대칭을 세척하지 않도록 하기 위해 어떤 조건이 필요한가?
• RQ3 MSSM의 $LH_u$ 평탄한 방향이 렙톤 생성을 위한 실현 가능한 렙톤 비대칭 원천이 될 수 있는가?
• RQ4 중성미자 과잉 생성과 열적 세척은 렙톤 생성 시나리오의 실현 가능성을 어떻게 영향을 주는가?
• RQ5 $U(1)_{B-L}$ 게이지 대칭은 렙톤 비대칭을 안정화시키고 조기에 진동을 방지하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 오른쪽 수성자 붕괴에 의해 생성된 렙톤 비대칭은 $CP$-위반 위상과 붕괴 너비의 차이의 곱에 비례하며, 계단형 오른쪽 수성자에 대해 비대칭 계수 $\epsilon \sim \mathcal{O}(10^{-6})$가 된다.
• 스파일러론 과정은 렙톤 비대칭을 바리온 비대칭으로 전환하며, 비율 $n_B/s \approx \frac{1}{3} n_L/s$를 유지하며 $B-L$ 수를 보존한다.
• 열적 세척은 오른쪽 수성자 질량이 $10^{9}$ GeV 이상일 경우에만 완화되며, 이는 비평형 붕괴를 보장한다.
• $LH_u$ 평탄한 방향은 공진적 진동을 통해 렙톤 비대칭을 생성할 수 있으며, 비대칭은 초기 장의 진폭과 위상에 의존한다.
• 재가열 온도가 $10^8$ GeV 이하일 경우 중성미자 과잉 생성이 억제되어 $\widetilde{N}$-지배 우주 시나리오가 실현 가능하다.
• $U(1)_{B-L}$ 대칭은 평탄한 방향을 안정화시키고 조기에 진동을 방지한다. 이는 초기 위상 값이 너무 크지 않고 질량 스케일이 충분히 높을 경우에 성립한다.