[논문 리뷰] Reconciling resonant leptogenesis and baryogenesis via neutrino oscillations

Juraj Klarić, Mikhail Shaposhnikov외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 188인용 수 70

한 줄 요약

이 논문은 양자 운동학적 프레임워크를 통해 두 가지 저에너지 영역의 쿠르트론 생성 메커니즘—공명 렙토제네시스와 중성미자 진동을 통한 바리온 생성—을 통합한다. 이는 0.1 GeV에서 10⁶ GeV의 무거운 중성미자 질량 범위에서 이 메커니즘들의 매개변수 공간이 상당히 겹친다는 것을 보여주며, 강도 영역과 에너지 영역 간의 상호보완성이 무거운 메이조라나 중성미자 탐사에 있어 중요함을 드러낸다.

ABSTRACT

Right-handed neutrinos offer an elegant solution to two well established phenomena beyond the Standard Model (SM) - masses and oscillations of neutrinos, as well as the baryon asymmetry of the Universe. It is also a minimalistic solution since it requires only singlet Majorana fermions to be added to the SM particle content. If these fermions are nearly degenerate, the mass scale of right-handed neutrinos can be very low and accessible by the present and planned experiments. There are at least two well studied mechanisms of the low-scale leptogenesis: baryogenesis via oscillations and resonant leptogenesis. These two mechanisms were often considered separate, but they can in fact be understood as two different regimes of one and the same mechanism, described by a unique set of quantum kinetic equations. In this work we show, using a unified description based on quantum kinetic equations, that the parameter space of these two regimes of low-scale leptogenesis significantly overlap. We present a comprehensive study of the parameter space of the low-scale leptogenesis with the mass scale ranging from $0.1$ GeV to $\sim 10^6$ GeV. The unified perspective of this work reveals the synergy between intensity and energy frontiers in the quest for heavy Majorana neutrinos.

연구 동기 및 목표

• 공명 렙토제네시스와 중성미자 진동을 통한 바리온 생성이라는 두 가지 다른 저에너지 렙토제네시스 메커니즘을 하나의 이론적 프레임워크 안에서 통합하기.
• 무거운 메이조라나 중성미자(HNL)의 광범위한 질량 범위(0.1 GeV에서 약 10⁶ GeV)에서 저에너지 렙토제네시스의 실현 가능성 탐구하기.
• 특히 전자약력 스케일 근처에서 고도의 평형화 속도가 존재함에도 불구하고 렙토니아 비대칭이 유지되는 조건 규명하기.
• 냉각-형과 냉각-형 렙토제네시스 영역이 별개가 아니라 통합된 운동학 기술을 통해 연결됨을 보여주기.
• HNL 모델을 시험하는 데 있어 강도 영역(진동, 붕괴율)과 에너지 영역(HNL 생성, 질량 척도) 간의 상호작용 탐색하기.

제안 방법

• 냉각-형과 냉각-형 렙토제네시스 영역을 모두 다루는 통합된 양자 운동학 방정식 유도하기.
• 두 개의 거의 일치하는 질량의 무거운 메이조라나 중성미자를 포함한 시즈미 메커니즘을 적용하여 경량 중성미자 질량과 렙토니아 수 위반 생성하기.
• 보른졸 방정식을 전체 양자 운동학 방정식의 극한으로 사용하여 접근법의 타당성 검증하기.
• 전자약력 대칭 깨짐 이후 직접 및 간접 과정을 통한 HNL 생성률 계산하기.
• 유한 온도 효과와 비평형 역학을 포함하여 전체 질량 범위에서 운동학 방정식의 수치 시뮬레이션 수행하기.
• 질량 분리(∆M), 요카다 상수, 렙토니아 수 보존이 워시아웃을 억제하고 비대칭을 유지하는 데 미치는 영향 분석하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공명 렙토제네시스와 중성미자 진동을 통한 바리온 생성은 하나의 통합된 프레임워크로 기술될 수 있는가?
• RQ2 HNL에 대해 냉각-형과 냉각-형 렙토제네시스의 실현 가능한 매개변수 공간 간 겹침 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 유한 온도 보정과 비평형 역학은 전자약력 스케일에서 렙토니아 비대칭의 유지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 M ∼ MW,Z 근처에서 고도의 평형화 속도가 존재함에도 불구하고 렙토니아 비대칭의 워시아웃이 어떤 메커니즘으로 억제되는가?
• RQ5 약 1 GeV에서 테르라볼트 범위에서 약간의 렙토니아 수 보존과 질량 분리(∆M)가 비대칭을 얼마나 잘 보호할 수 있는가?

주요 결과

• 공명 렙토제네시스와 중성미자 진동을 통한 바리온 생성의 매개변수 공간이 상당히 겹쳐져 있어, 두 영역이 하나의 기초 메커니즘에서 유래한 두 가지 상태임을 시사한다.
• 유한 질량 효과와 약간의 렙토니아 수 보존 덕분에 워시아웃이 억제되면서, HNL 질량이 약 10⁶ GeV까지도 렙토제네시스가 실현 가능함을 확인하였다.
• 특히 전자약력 스케일(M ∼ MW,Z)에서도, 이전 연구에서 보여진 것처럼 워시아웃 속도가 ∼∆M/Γ 정도로 억제되어 렙토니아 비대칭이 유지됨을 확인하였다.
• HNL 평형 분포에 대한 유한 온도 보정은 평형에서의 이격을 유도하여, 기저에서의 냉각-형 렙토제네시스를 가능하게 한다.
• 질량의 근접성에 의한 공명 증폭 메커니즘은 낮은 질량 영역에서도 효과를 유지하여, 공명 렙토제네시스의 적용 범위를 테르라볼트 이하로 확장한다.
• 통합된 운동학 프레임워크는 강도 영역 실험(예: 진동 탐색)과 에너지 영역 실험(예: LHC HNL 탐색)이 동일한 HNL 매개변수 공간을 탐색하는 데 상호보완적임을 드러낸다.