[논문 리뷰] Spontaneous Baryogenesis from Axions with Generic Couplings

Valerie Domcke, Yohei Ema외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 46인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 축상자 유사 입자가 유일한 최소 결합(예: 글루온과의 결합)으로도 비틀림이 없는 축상자와 함께 우주의 기저 빈도를 생성할 수 있음을 입증한다. 이는 축상자가 비제로 속도를 가지며, 바리온 수 위반 과정(예: 스파일러론 또는 Weisskopf 연산자)이 활성화되어 있을 경우에 해당한다. 저자들은 임의의 결합을 고려할 수 있는 일반적인 운반 형식을 개발하여, 최종 기저 빈도가 관련 연산자의 효율성에 따라 대수적 또는 미분 방정식을 푸는 방식으로 결정됨을 보여주며, 필드 재정의 및 중복성 문제를 자동으로 처리함으로써 오류가 발생하지 않음을 입증한다.

ABSTRACT

Axion-like particles can source the baryon asymmetry of our Universe through spontaneous baryogenesis. Here we clarify that this is a generic outcome for essentially any coupling of an axion-like particle to the Standard Model, requiring only a non-zero velocity of the classical axion field while baryon or lepton number violating interactions are present in thermal bath. In particular, coupling the axions only to gluons is sufficient to generate a baryon asymmetry in the presence of electroweak sphalerons or the Weinberg operator. Deriving the transport equation for an arbitrary set of couplings of the axion-like particle, we provide a general framework in which these results can be obtained immediately. If all the operators involved are efficient, it suffices to solve an algebraic equation to obtain the final asymmetries. Otherwise one needs to solve a simple set of differential equations. This formalism clarifies some theoretical subtleties such as redundancies in the axion coupling to the Standard Model particles associated with a field rotation. We demonstrate how our formalism automatically evades potential pitfalls in the calculation of the final baryon asymmetry.

연구 동기 및 목표

• 축상자 유도 자발적 바리온 비대칭이 표준모형의 모든 결합에서 일반적인 현상임을 입증하는 것.
• 축상자 매개 바리온 비대칭 모델에서 필드 재정의와 중복 결합으로 인한 이론적 모순을 해결하는 것.
• 임의의 축상자-표준모형 필드 결합으로부터 바리온 비대칭을 계산하기 위한 일반적이고 기저에 종속되지 않은 형식을 개발하는 것.
• 최종 바리온 비대칭이 보존되는 조건과 축상자 역학 및 표준모형 과정에 따라 어떻게 달라지는지 명확히 하는 것.

제안 방법

• 비제로 속도를 가진 고전적 축상자 필드 존재 하에서 전류 연산자의 기대값을 위한 운반 방정식을 유도한다.
• 축상자의 시간 도함수에서 기인하는 소스 항을 운반 방정식에 도입하여 효과적 화학적 위치로 작용함.
• 선형 반응 이론과 후행 상관 함수를 사용하여 열적 평형 상태에서 축상자에 의한 편향을 계산한다.
• 전하 벡터를 통한 결합 분류 및 기저 분해와 수직 투영을 통해 중복된 매개변수화를 식별한다.
• 축상자 역학에 대한 반작용이 사라지는 조건을 유도하여 효과 이론의 일관성을 확보한다.
• 효율적인 연산자인 경우 대수적 방식으로, 그렇지 않은 경우 미분 방정식을 통해 운반 방정식을 풀어 정량적 예측을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 축상자 유사 입자가 바리온 수 위반 상호작용에 직접적으로 기여하지 않고 글루온과만 결합할 경우에도 바리온 비대칭을 생성할 수 있는가?
• RQ2 필드 재정의로 인한 축상자 결합의 중복성은 이 형식이 어떻게 다루며, 왜 최종 비대칭에 영향을 주지 않는가?
• RQ3 표준모형 스파일러론 또는 Weisskopf 연산자가 존재하는 상황에서 축상자의 속도가 비제로일 때 어떤 조건에서 비대칭이 유도되는가?
• RQ4 최종 바리온 비대칭이 대수적 방정식을 풀어 얻어지는지 아니면 미분 방정식의 집합을 풀어야 하는지가 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ5 최종 비대칭이 축상자 모델의 매개변수(예: 축상자 붕괴 상수 및 결합 강도)에 따라 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 축상자 유사 입자가 비틀림이 없는 축상자와 함께 표준모형과의 모든 결합에서 자발적 바리온 비대칭을 생성할 수 있으며, 이는 축상자가 비제로 속도를 가지며 바리온/레프톤 수 위반 과정이 존재할 경우에 해당한다.
• SU(3) Chern-Simons 연산자를 통해 글루온과만 결합하는 것이 전기약력 스파일러론 존재 시에도 바리온 비대칭을 생성하는 데에 충분하다.
• 바리온 수 위반 과정이 동결된 후 최종 바리온 비대칭은 축상자에 의해 유도된 소스 항이 포함된 운반 방정식의 평형 해에 의해 결정되며 보존된다.
• 이 형식은 전하 벡터의 수직 분해를 통해 중복된 결합을 식별하고 제거함으로써 필드 재정의의 모호성을 자동으로 처리한다.
• 모든 연산자가 효율적인 경우 최종 비대칭은 단일 대수적 방정식을 풀어 얻을 수 있으나, 그렇지 않은 경우 미분 방정식의 집합을 풀어야 한다.
• 축상자에 대한 반작용이 사라지는 조건이 도출되었으며, 이는 활성 전류 기저에 대한 소스 전하 벡터의 특정 수직 조건과 동치임을 보였다.