[논문 리뷰] Low-scale leptogenesis and dark matter

Andrea Caputo, Pilar Hernández외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 1–100 GeV 범위의 마요라나 단일 페르미온이 CP 위반 진동을 통해 바리온 비대칭을 생성하는 ARS 메커니즘을 확장하며, 세 가지 모델을 통해 어둠의 물질 후보를 통합한다: 약하게 결합된 B-L 게이지 보손, 투명한 QCD 아키온, 단일 주도론. 이들은 동시에 성공적인 렙토제네시스와 어둠의 물질을 설명하며, 두 가지 주요 천체물리학적 수수께끼에 대한 통합적 해결책을 제공한다.

ABSTRACT

An extension of the Standard Model with Majorana singlet fermions in the 1-100 GeV range can give rise to a baryon asymmetry at freeze-in via the CP-violating oscillations of these neutrinos: this is the well known ARS mechanism. In this paper we consider possible extensions of the minimal ARS scenario that can account not only for successful leptogenesis but also explain other open problems such as dark matter. We find that an extension in the form of a weakly coupled B-L gauge boson, an invisible QCD axion model, and the singlet majoron model can simultaneously account for dark matter and the baryon asymmetry.

연구 동기 및 목표

• 낮은 스케일 렙토제네시스를 통한 어둠의 물질 문제를 해결하기 위해 마요라나 단일 페르미온의 맥락에서 미해결된 문제를 다루는 것.
• 동시에 바리온 비대칭을 생성하고 어둠의 물질 후보를 제공하는 최소한의 ARS 메커니즘의 확장을 탐색하는 것.
• 1–100 GeV 질량 범위 내에서 렙토제네시스와 어둠의 물질을 통합하는 타당한 입자물리 모델을 규명하는 것.
• B-L 게이지 보손, 투명한 아키온, 단일 주도론 모델이 바리온 생성과 어둠의 물질 모두에 대해 이중적으로 작용할 수 있는지 평가하는 것.

제안 방법

• CP 위반 진동을 통해 낮은 스케일 렙토제네시스를 가능하게 하기 위해 1–100 GeV 범위의 마요라나 단일 페르미온을 표준모형에 확장한다.
• 단일 페르미온이 새로운 게이지 보손과 결합하도록 U(1)_B-L 게이지 대칭을 도입하며, 이 보손은 어둠의 물질 후보로 기능할 수 있다.
• 모형에 투명한 QCD 아키온을 통합하여, 아키온 장이 안정적이고 약하게 상호작용하는 어둠의 물질 성분을 제공한다.
• 단일 주도론 모델을 수정하여 복소 스칼라 단일장을 도입함으로써 B-L 대칭을 자발적으로 깨뜨리며, 이로 인해 페시도-남부골드스톤 보손이 생성되고 어둠의 물질로 기능한다.
• 각 확장에서 단일 뉴트리노 진동의 CP 위반과 어둠의 물질 후보의 안정성 간의 상호작용을 분석한다.
• 각 모델이 바리온 비대칭과 어둠의 물질 잔류 밀도를 포함한 천체물리학적 제약 조건과 일관된지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 낮은 스케일 렙토제네시스를 위한 ARS 메커니즘은 타당한 어둠의 물질 후보를 일관적으로 포함시킬 수 있는가?
• RQ2 B-L 게이지 보손, 투명한 아키온, 단일 주도론 모델 각각이 관측된 잔류 밀도와 호환되는 안정적이고 약하게 상호작용하는 어둠의 물질 입자를 제공하는가?
• RQ3 1–100 GeV 질량 범위 내에서 동일한 이론적 프레임워크 안에서 성공적인 바리온 비대칭 생성과 어둠의 물질 안정성을 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ4 각 모델에서 단일 뉴트리노 영역의 CP 위반 위상은 어둠의 물질 생성 메커니즘과 어떻게 상호작용하는가?
• RQ5 이 확장된 모델의 현상학적 서명과 천체물리학적 제약 조건은 무엇인가?

주요 결과

• B-L 게이지 보손 확장은 1–100 GeV 범위의 질량을 가지며, 관측된 잔류 밀도와 직접 탐지 제약 조건과 일치하는 타당한 어둠의 물질 후보를 제공한다.
• 투명한 QCD 아키온 모델은 아키온 장을 통해 어둠의 물질을 실현하며, 페체이-콰이언 대칭 깨짐 스케일과 천체물리학적 제약 조건과 호환되는 질량 스케일을 가진다.
• 단일 주도론 모델은 페시도-남부골드스톤 보손을 생성하며, 이는 안정적인 어둠의 물질 입자로 기능한다. 그 질량과 결합 상수는 B-L 대칭 깨짐 스케일에 의해 결정된다.
• 모든 세 모델이 원래 ARS 메커니즘과 동일하게 마요라나 단일 페르미온의 CP 위반 진동을 통해 관측된 바리온 비대칭을 성공적으로 재현한다.
• 모델들은 뉴트리노 진동 데이터와 일치하며, 상당한 플레버-변경 중성미수를 도입하지 않는다.
• 각 확장에서 뉴트리노 영역의 CP 위반과 어둠의 물질 안정성 간의 상호작용은 자연스럽게 수용되며, 통합된 프레임워크를 가능하게 한다.