[論文レビュー] Baryogenesis via leptogenesis

Алессандро Струмиа|ArXiv.org|Aug 31, 2006

Genetics, Bioinformatics, and Biomedical Research被引用数 17

ひとこと要約

本稿は、観測された宇宙のバリオン非対称性を説明するメカニズムとしての熱的レプトゲネシスについて包括的なレビューを提供している。具体的には、重い右巻きニュートリノのCP対称性を破る崩壊がレプトン非対称性を生成し、その一部がスファラネロン過程によってバリオン非対称性に変換される仕組みを詳述している。主な貢献は、ボルツマン方程式を用いたバリオン非対称性の正確な計算フレームワークの構築に加え、超対称性および代替ニュートリノ質量モデルにおけるレプトゲネシスの制約と検証である。

ABSTRACT

We discuss how leptogenesis can explain the observed baryon asymmetry and summarize attempts of testing leptogenesis. We first perform estimates and discuss the main physics, and later outline the techniques that allow to perform precise computations.

研究の動機と目的

• 観測された宇宙のバリオン非対称性 (nB−nB̄)/nγ ≈ 6.15×10−10 をレプトゲネシスによって説明すること。
• 重い右巻きニュートリノのCP対称性を破る崩壊がレプトン非対称性を生成する役割を明確にすること。
• ボルツマン方程式を用いたバリオン非対称性の正確な計算技術の開発および要約。
• 超対称性およびループ媒介ニュートリノ質量モデルを含むさまざまな理論的枠組みにおけるレプトゲネシスの検証。
• 同じ物理が非平衡過程によって非対称性と残余密度の両方を生成する場合の、レプトゲネシスとダークマターの相乗作用の解明。

提案手法

• 熱的プラズマ内での粒子数密度の時間発展をモデル化するためのボルツマン方程式の使用。崩壊、逆崩壊、ウォッシュアウト過程を考慮。
• 1ループ自己エネルギー補正の虚数部を用いた重いニュートリノ崩壊におけるCP非対称性の計算。非対称性パラメータは ε ∝ Im(λ†λλ†λ) / Tr(λ†λ) に比例する。
• スファラネロンおよびウォッシュアウト過程の後、保存されるレプトン非対称性の割合を定量化する効率係数 η の組み込み。
• 効率的なウォッシュアウトの開始を示す臨界温度 T* ≈ m1 / 20 の適用。効率係数は最も軽い右巻きニュートリノの質量 M1 に依存する。
• 冷凍出近似および熱的平均化を用いた弱い相互作用を示すダークマターの残余密度の計算。
• Z2対称性を用いたダークマター候補（スカラーまたはフェルミオン的シングレットなど）の安定化。同時に、CP対称性を破る崩壊によるレプトゲネシスの維持。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱的レプトゲネシスは、観測された宇宙のバリオン非対称性をどのように説明できるか？
• RQ2 重い右巻きニュートリノのCP対称性を破る崩壊からバリオン非対称性を正確に計算するにはどのような技術が必要か？
• RQ3 ニュートリノ質量および混合角の制約は、シーブ・モデルおよび代替モデルにおけるレプトゲネシスの妥当性にどのように影響するか？
• RQ4 ループ媒介ニュートリノ質量モデルにおいて、レプトゲネシスとダークマターが同じ非平衡過程によって生成可能か？
• RQ5 ダークマターが熱的冷凍出ではなく、レプトン非対称性の残余である場合、そのようなモデルにおける物性的および宇宙論的制約は何か？

主な発見

• 最も軽い右巻きニュートリノの質量 M1 ≈ 109–1012 GeV の場合、熱的レプトゲネシスは観測されたバリオン非対称性 (6.15×10−10) を成功裏に生成できる。
• 重いニュートリノ崩壊におけるCP非対称性は、ヤクバイ結合の積の虚数部に比例し、ε ∝ Im(λ†λλ†λ) / Tr(λ†λ) と表される。質量差が大きい場合に非対称性は最大に達する。
• 効率係数 η はウォッシュアウト過程によって抑制されるが、特に M1 が小さい場合顕著に低下する。一方、質量の階層構造や追加の対称性を持つモデルでは、η が向上する可能性がある。
• ループ媒介ニュートリノ質量モデル（例：第二のヒッグスダブルット H′ を持つモデル）では、標準的シーブモデルに比べてCP非対称性が 1/r 倍増幅され、r ∼ λ′/(4π)² がループ抑制係数として寄与する。
• Z2対称性を持つモデルでは、H′ の最も軽い成分が安定なダークマター候補となり得る。その場合、冷凍出ではなく非対称性が支配的であれば、ダークマター質量は mDM ≈ 10 GeV と予測され、モデルパラメータに依存する。
• グローバルU(1)対称性はダークマター非対称性を保護するが、このようなモデルは直接検出実験からの強い制約を受ける。スカラーとピアノスカラー成分間の質量差Δm > 20 keV が必要であり、そうでなければ非対称性が急速に消失する。このため、質量差が不自然に大きくない限り、あるいはダークマターが複素シングレットでない限り、物理的に好ましくない。