[논문 리뷰] Theories and Experiments for Testable Baryogenesis Mechanisms: A Snowmass White Paper

J. Barrow, L. J. Broussard외 17명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 14.

Computational Physics and Python Applications인용 수 9

한 줄 요약

이 스노우마스 화이트 페이퍼는 후기 스페일러론 비대칭 생성, 전자기적 비대칭 생성, 메소지네시스, 저스케일 렙토제네시스의 네 가지 검증 가능한 비대칭 생성 메커니즘을 검토하며, 이들의 이론적 기초와 실험적 탐지 방법을 제시한다. 중성자-반중성자 진동, 전기 dipole 모멘트, $0 u\beta\beta$ 붕괴, 콜리더 서명, 중력파, 향후 중성자 시설 등이 각 메커니즘을 검증하는 핵심 경로로 지목되며, 핵심 기여는 각 비대칭 생성 이론이 타당하기 위해 필요한 실험적 민감도와의 연결 고리를 제시하는 로드맵이다.

ABSTRACT

The baryon asymmetry of the Universe is one of the central motivations to expect physics beyond the Standard Model. In this Snowmass white paper, we review the challenges and opportunities in testing some of the central paradigms that predict physics at scales low enough to expect new experimental data in the next decade. Focusing on theoretical ideas and some of their experimental implications, in particular, we discuss neutron-antineutron transformations, flavor observables, next generation colliders, future neutron facilities, gravitational waves, searches for permanent electric dipole moments, $0νββ$ decay and some future large underground experiments as methods to test post-sphaleron baryogenesis, electroweak baryogenesis, mesogenesis and low scale leptogenesis. Finally, we comment on the cases where high scale physics can be probed through some of these same mechanisms.

연구 동기 및 목표

• 근미래 실험 데이터로 탐지 가능한 비대칭 생성 메커니즘을 식별하고 평가하기.
• 특히 $\mathcal{B}-\mathcal{L}$ 위반과 CP 위반을 포함하는 비대칭 생성 이론 모델을 구체적인 실험 서명과 연결하기.
• 콜리더, 중성자 실험, 중력파 탐지기, 비드럼 실험 등 다양한 실험 분야 간의 상호보완성을 평가하여 물질-반물질 비대칭의 기원을 탐색하기.
• 테브 에너지 범위에서의 렙토니엄 수반 위반 관측이 고스케일 렙토제네시스 모델을 반증할 수 있는지 평가하기.
• 물질-반물질 비대칭 문제를 해결하기 위해 이론적 및 실험적 자원을 우선순위 정렬하는 데 기여하는 로드맵 제공하기.

제안 방법

• 후기 스페일러론 비대칭 생성을 분석하여, 중성자-반중성자 ($n \to \bar{n}$) 진동 수명 예측과 유럽 스파라슬레이션 소스의 NNBAR 시설에서의 실험적 탐지 가능성을 평가한다.
• 전기적 비대칭 생성은 고감도 전기 dipole 모멘트(EDM) 탐색, CP 위반 탐지의 콜리더 서명, 강한 1차 상전이에 따른 중력파 신호를 통해 평가된다.
• 메소지네시스는 표준모형 메손의 CP 비대칭과 새로운 비대칭 생성 바이어런트 하드론 붕괴의 예측을 통해 연구되며, Belle, BaBar, LHCb에서 현재 탐색 중이다.
• 저스케일 렙토제네시스는 근접한 질량을 가진 무거운 중성자 렙톤(HNL)의 역할을 분석하여, 비드럼, 콜리더, $0\nu\beta\beta$ 붕괴 실험에서의 생성 및 붕괴를 연구한다.
• 효과적 장 이론과 단순화된 모델을 사용하여 $R_{ll} = \Gamma(\text{HNL} \to ll)/\Gamma(\text{HNL} \to \ell \ell \gamma)$ 및 $U_{\ell}^2$ 혼합 매개변수와 같은 관측 가능량을 계산하고 HNL를 제약한다.
• 콜리더에서의 동일 전하 이레프톤 서명과 $0\nu\beta\beta$ 붕괴 간의 상호작용을 분석하여, $B+L$ 위반 스페일러론 세척 작용을 통한 고스케일 렙토제네시스 모델의 배제 여부를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다음 10년 내에 중성자-반중성자 진동이 탐지될 수 있을까? 그리고 이는 후기 스페일러론 비대칭 생성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ2 전기 dipole 모멘트 탐색과 중력파 관측이 강한 CP 위반을 포함하는 전자기적 비대칭 생성 모델을 어느 정도까지 검증할 수 있는가?
• RQ3 메손 붕괴에서의 CP 비대칭을 통해 관측된 비대칭 생성이 메소지네시스로 설명될 수 있을까? 그리고 예측되는 이국적인 하드론 붕괴 모드는 무엇인가?
• RQ4 $0\nu\beta\beta$ 붕괴에서의 렙토니엄 수반 위반 관측 또는 콜리더에서의 관측이 스페일러론 세척 작용을 통해 고스케일 렙토제네시스 모델을 배제할 수 있는가?
• RQ5 무거운 중성자 렙톤의 혼합 매개변수와 질량이 동시에 중성자 질량과 비대칭 생성을 생성하는 데서 그 역할을 어떻게 제약하는가?

주요 결과

• 다음 10년 내에 중성자-반중성자 진동 탐색 민감도는 3개의 자리수만큼 향상될 것으로 예상되며, ESS의 NNBAR 시설은 $\tau_{n \to \bar{n}} \gtrsim 10^{32}$ 년 수준의 민감도를 확보할 것으로 기대된다.
• 전자기적 비대칭 생성은 CP 위성 원천이 크고 기포 벽 속도가 충분히 느릴 경우에만 타당하며, 1차 상전이에 따른 중력파 신호가 잠재적 탐지 수단이 될 수 있다.
• 메소지네시스는 메손의 새로운 비대칭 생성 바이어런트 하드론 붕괴를 예측하며, Belle, BaBar, LHCb에서 이미 전담 탐색이 진행 중이며, 향후 카이온 및 하이퍼온 공장에서 민감도가 향상될 전망이다.
• 비표준모형 메커니즘(예: 무거운 중성자 렙톤의 교환)을 통해 $0\nu\beta\beta$ 붕괴가 관측된다면, 비대칭이 스페일러론 세척 작용으로부터 보호되지 않는 한 표준 고스케일 렙토제네시스 모델은 배제된다.
• LHC에서 빈도 에너지가 없는 동일 전하 이레프톤 서명이 관측된다면 강한 세척 작용을 의미하며, 이는 고스케일 렙토제네시스 모델을 배제하고 저스케일 비대칭 생성으로 이어진다.
• $0\nu\beta\beta$ 붕괴와 콜리더에서의 렙토니엄 수반 위반 탐색 간의 상호작용은 상호보완적인 탐색 능력을 제공한다: $0\nu\beta\beta$ 붕괴는 제1세대 렙톤에 국한되지만, 콜리더는 제2 및 제3세대 서명을 탐지할 수 있어 전체 풀 플레이버 평형 테스트가 가능하다.