[论文解读] CP violation and baryogenesis

W. Bernreuther|ArXiv.org|May 24, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 23被引用 6

一句话总结

本文综述了重子生成的理论框架，结论指出标准模型（SM）因CP破坏不足且电弱相变不够强烈，无法产生观测到的重子不对称性。文章提出通过大质量马约拉纳中微子衰变实现的轻子生成是主要的替代机制，其中中微子混合矩阵中的CP破坏相位驱动不对称性生成，且与低能CP相位无关。

ABSTRACT

In these lecture notes an introduction is given to some ideas and attempts to understand the origin of the matter-antimatter asymmetry of the universe. After the discussion of some basic issues of cosmology and particle theory the scenarios of electroweak baryogenesis, GUT baryogenesis, and leptogenesis are outlined.

研究动机与目标

• 评估标准模型（SM）是否可通过电弱重子生成机制解释可观测的宇宙重子不对称性（BAU）。
• 分析SM在产生足够CP破坏和足够强烈的电弱相变方面所面临的局限，以实现重子生成。
• 提出并评估替代的重子生成机制，特别是超出标准模型的轻子生成机制，作为可行的解释。
• 阐明低能中微物理中的CP破坏相位与轻子生成情景中驱动BAU的相位之间的脱节。

提出的方法

• 回顾重子生成的萨哈罗夫条件：重子数破坏、C和CP破坏，以及偏离热平衡状态。
• 分析标准模型中的电弱重子生成，表明电弱相变为弱一级相变，不足以生成重子数。
• 引入 seesaw 机制，通过大质量右手中微子生成轻马约拉纳中微子，从而实现轻子生成。
• 利用幺正混合矩阵 K 和狄拉克质量矩阵 M_D 推导大质量马约拉纳中微子衰变中的CP不对称性。
• 应用大质量马约拉纳中微子衰变中CP不对称性的公式，表明其依赖于幺正矩阵 U 的相位。
• 比较中微子振荡（实验可测）中的CP破坏相位与驱动轻子生成（不可直接测量）的相位之作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 标准模型的小林-益川CP破坏相位能否生成可观测的宇宙重子不对称性？
• RQ2 为何标准模型中的电弱相变无法产生足够的重子数破坏和CP不对称性？
• RQ3 通过大质量马约拉纳中微子衰变实现的轻子生成如何在不依赖SM参数的情况下生成物质-反物质不对称性？
• RQ4 低能中微物理实验中观测到的CP破坏相位与轻子生成中驱动重子不对称性的相位之间有何关系？
• RQ5 为何狄拉克质量矩阵 M_D 的幺正矩阵 U 的CP破坏相位与轻子生成相关，而 K 矩阵中的相位无关？

主要发现

• 标准模型无法解释可观测的重子不对称性（η ~ 10⁻¹⁰），原因在于CP破坏不足，且电弱相变为弱一级相变。
• 标准模型中的电弱重子生成失败，因为电弱相变不够强烈，且B破坏过程效率过高，无法维持不对称性。
• 通过大质量马约拉纳中微子衰变实现的轻子生成是生成BAU的可行且有理论依据的机制，尤其在右手中微子质量较大的模型中更为显著。
• 大质量中微子衰变中的CP不对称性取决于分解式 M_D = VRU† 中幺正矩阵 U 的相位，而非混合矩阵 K 的相位。
• 中微子振荡或双贝塔衰变实验中观测到的CP破坏相位与轻子生成中驱动重子不对称性的相位之间无直接关联。
• seesaw 机制通过 m_ν ≈ m_D²/m_R 生成轻中微子质量，使左手中微子的有效质量保持微小，同时允许 M_D^†M_D 中存在大CP相位以实现轻子生成。