[論文レビュー] Baryogenesis from dark matter in an inflationary universe

Wan-Zhe Feng, Anupam Mazumdar+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2013

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、インフレーション宇宙におけるバリオゲネシス機構を提案する。インフレートンがダークセクターに崩壊し、CP対称性の破れを伴うヤクバイカップリングを通じて非対称なダークマターを生成する。得られるB-L非対称性は、非対称性移行によって可視宇宙セクターに移行され、スファラロン過程を通じてバリオゲネシスが可能になる。このモデルは、ボソン的およびフェルミオン的状態を含む多成分ダークマターを予測する。

ABSTRACT

We consider the possibility that in an inflationary universe, the inflaton field decays purely into the dark sector creating asymmetric dark matter at the end of inflation. This asymmetry is subsequently transmuted into leptons and baryons. We consider this possibility in the framework of a generic inflation model, and compute the amount of asymmetric dark matter created from the out of equilibrium decays of the inflaton with CP violating Yukawa couplings. The dark matter asymmetry is then transferred to the visible sector by the asymmetry transfer equation and generates an excess of $B-L$. Baryogenesis occurs via sphaleron processes which conserve $B-L$ but violate $B+L$. A mechanism for the annihilation of the symmetric component of dark matter is also discussed. The model leads to multi-component dark matter consisting of both bosonic and fermionic components.

研究の動機と目的

• インフレーション宇宙においてインフレートンが純粋にダークセクターに崩壊するメカニズムを探索すること。
• 初期のダークマター非対称性が可視宇宙セクターにおけるネットB-L非対称性にどのように変換されるかを調査すること。
• スファラロン過程がB-Lを保存するがB+Lを破壊するという性質を利用して、B-L非対称性をバリオン非対称性に変換する役割を検討すること。
• 対称的ダークマターの散乱を組み込むことで、宇宙の過剰閉じ込めを回避する。
• フェルミオン的およびボソン的成分を含む多成分ダークマターのモデルを構築すること。

提案手法

• CP対称性の破れを伴うヤクバイカップリングを用いて、非平衡的崩壊によりダークセクターへのインフレートン崩壊をモデル化し、初期のダークマター非対称性を生成する。
• 非対称性移行方程式を適用して、ダークマター非対称性を可視宇宙セクター、特にB-L量子数にマッピングする。
• B-Lを保存するがB+Lを破壊するスファラロン過程を用いて、移行されたB-L非対称性をネットバリオン非対称性に変換する。
• 対称的ダークマターの散乱を組み込むことで、対称的成分を抑制し、過剰閉じ込めを防ぐ。
• 非対称性移行効率および最終的なバリオン数対エントロピー比の計算を可能にする、一般的なインフレーションモデルフレームワークを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インフレートンがダークセクターに崩壊することで、CP対称性の破れを伴う相互作用によって初期のダークマター非対称性が生成可能か？
• RQ2 ダークマター非対称性が可視宇宙セクターにB-L非対称性としてどれほど効率的に移行可能か？
• RQ3 移行されたB-L非対称性がバリオン非対称性にどれほど効果的に変換可能か？
• RQ4 対称的ダークマターの散乱がモデルの妥当性に及ぼす制約は何か？
• RQ5 フェルミオン的およびボソン的成分の観点から、最終的なダークマターの組成はどのようなものか？

主な発見

• モデルは、ダークセクターから可視宇宙セクターへのB-L非対称性の移行を通じて、ネットバリオン非対称性を効果的に生成する。
• CP対称性の破れ位相およびヤクバイカップリングの強度が適切に調整されれば、観測されたバリオン非対称性と整合的である。
• 対称的ダークマター成分は効率的に散乱され、過剰閉じ込めを防ぎ、宇宙論的観測と整合的である。
• 最終的なダークマター成分はフェルミオン的およびボソン的状態を含み、多成分ダークマターのシナリオを形成する。
• このメカニズムは一般的なインフレーションフレームワーク内で動作するため、インフレートンポテンシャルの具体的な詳細に強く依存しない。