[논문 리뷰] Domain walls and CP violation with left right supersymmetry:implications for leptogenesis and electron EDM

P. Banerjee, Urjit A. Yajnik|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 69인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 도메인 월을 통한 렙토제네시스를 담당하는 매개변수와 전자의 전기 dipole moment(EDM)를 연결하여, 좌우 대칭 초대칭 모델(LRSUSY)에서 CP 위반 위상과 관측 가능한 저에너지 현상 사이의 직접적인 연결 고리를 확립한다. 도메인 월 내에서의 확산 방정식 수치적 해석과 일차 및 이차 고리 EDM 계산을 통해 LRSUSY 매개변수 공간에 대한 엄격한 제약 조건을 도출하였으며, 이는 U(1)B−L 대칭 깨짐 스케일이 10^4.5 GeV를 초과해야 하며, SU(2)R 스케일이 M²B−L/MEW 이하로 엄격히 제약됨을 보여주며, 이는 LRSUSY에 대한 지금까지 가장 엄격한 제약 조건이다.

ABSTRACT

Low scale leptogenesis scenarios are difficult to verify due to our inability to relate the parameters involved in the early universe processes with the low energy or collider observables. Here we show that one can in principle relate the parameters giving rise to the transient $CP$ violating phase involved in leptogenesis with those that can be deduced from the observation of electric dipole moment (EDM) of the electron. We work out the details of this in the context of the left right symmetric supersymmetric model (LRSUSY) which provides a strong connection between such parameters. In particular, we show that baryon asymmetry requirements imply the scale $M_{B-L}$ of $U(1)_{B-L}$ symmetry breaking to be larger than $10^{4.5}~\mathrm{GeV}$. Moreover the scale $M_R$ of $SU(2)_R$ symmetry breaking is tightly constrained to lie in a narrow band significantly below $M_{B-L}^2 / M_{EW}$. These are the most stringent constraints on the parameter space of LRSUSY model being considered.

연구 동기 및 목표

• 도메인 월 내에서 일시적인 CP 위반 위상이 렙토제네시스에 필수적이며, 이와 관측 가능한 저에너지 현상인 전자의 전기 dipole moment(EDM) 사이의 정량적 연결 고리를 확립하기 위해.
• 렙토제네시스와 EDM 제약 조건을 모두 고려하여, 특히 U(1)B−L 및 SU(2)R 대칭 깨짐 스케일을 포함한 LRSUSY 매개변수 공간을 제약하기 위해.
• 성공적인 비대칭 빈도 생성과 전자의 EDM에 대한 실험적 제약 사이의 갈등을 해결하기 위해, 타당한 LRSUSY 시나리오를 규명하기 위해.
• 초기 우주 상전이 조건을 반영한 온도 보정을 포함한, LRSUSY에서의 전자의 EDM을 일차 및 이차 고리 수준에서 계산하기 위해.
• 비대칭 빈도 생성 조건과 EDM 제약 조건을 동시에 만족하는 최소한의 U(1)B−L 깨짐 스케일을 규명하여 이전의 제약 조건을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 천천히 움직이는 도메인 월 내에서 왼쪽 편의 중성미온의 공간적으로 변화하는 복소 질량을 고려하여, 렙톤 수 밀도의 확산 방정식을 수치적으로 해석함으로써 렙톤 수 운반의 역학을 모델링하기 위해.
• 공간적으로 변화하는 힉스 진공 기대값(vevs)에 대한 오일러-라그랑주 방정식에서 유도된 도메인 월 프로파일을 사용하며, T ≈ MB−L 에서 온도 보정을 포함하기 위해.
• 일반화된 Barr-Zee 메커니즘을 사용하여 일차 및 이차 고리 수준에서 전자의 EDM을 계산함. 이때 가장 중요한 CP 위반 기여자는 가벼운 비드블렛 힉스이다.
• 고온도 조건(T = MB−L)에서 Debye 스크리닝 보정을 포함한 중성 비드블렛 힉스 필드의 온도 의존 질량 행렬을 적용하여 초기 우주 조건을 모델링하기 위해.
• 예측된 비대칭 빈도가 관측된 값과 일치하는지(약 한 수준의 오차 내)와 전자의 EDM이 ACME II 실험 한계(1.1×10⁻²⁹ e·cm) 이하로 유지되는지를 조건으로 하여, (MB−L, MR) 매개변수 공간을 매핑하기 위해.
• 두 개의 가벼운 힉스 이중체 사이의 상대 위상을 제어하기 위해 삼중항 결합 매개변수 α를 사용하며, 렙토제네시스 제약 조건으로부터 α의 하한(α ≳ 0.1)을 도출하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LRSUSY 모델의 도메인 월 내에서 생성된 CP 위반 위상은 관측된 비대칭 빈도와 일치하는가?
• RQ2 LRSUSY에서 렙토제네시스를 지배하는 매개변수와 전자의 EDM 사이의 정량적 관계는 무엇인가?
• RQ3 비대칭 빈도 제약 조건과 EDM 제약 조건을 동시에 만족하는 LRSUSY에서의 U(1)B−L 및 SU(2)R 깨짐 스케일에 대한 가장 엄격한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 삼중항 결합 매개변수 α는 LRSUSY에서의 렙토제네시스 가능성과 그로 인한 전자의 EDM에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 LRSUSY에서의 전자의 EDM을 일차 및 이차 고리 수준에서 신뢰성 있게 계산할 수 있으며, 이는 비대칭 빈도 조건보다 더 강력한 제약 조건을 제공하는가?

주요 결과

• 비대칭 빈도 제약 조건을 만족하기 위해 U(1)B−L 깨짐 스케일은 10^4.5 GeV를 초과해야 하며, 이는 낮은 값은 배제됨을 의미한다.
• SU(2)R 깨짐 스케일 MR는 M²B−L/MEW 이하로 매우 엄격히 제약되며, 이는 (MB−L, MR) 평면에서 좁은 타당 영역이 존재함을 나타낸다.
• 비대칭 빈도 제약 조건이 전자의 EDM 제약 조건보다 더 엄격하며, (MB−L, MR)의 허용 영역은 전적으로 EDM 허용 영역 내에 포함되어 있다.
• 성공적인 렙토제네시스를 위해 삼중항 결합 매개변수 α는 0.1 이상이어야 하며, 이는 타당한 매개변수 공간을 추가로 제약한다.
• Barr-Zee 메커니즘을 따르는 이차 고리 수준의 전자의 EDM 계산 결과, 모델의 CP 위반 위상은 비결정적인 EDM 기여를 유도하지만, 이는 특정한 (MB−L, MR) 조합에서만 ACME II 한계 이하로 유지된다.
• 비대칭 빈도와 EDM 실험 조건을 동시에 만족하는 최소한의 MB−L는 약 10^6.5 GeV로 도출되었으며, α의 값에 따라 이 영역은 최대 10^10 GeV까지 연장될 수 있다.