[論文レビュー] Electroweak Baryogenesis and Standard Model CP Violation

Patrick Huet, Sather, Eric|Apr 20, 1994

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 17

ひとこと要約

この論文は、標準模型における電弱ビアロジーネシスを再評価し、QCD由来のデコherenceが原因でCKM位相のみでは十分なCP対称性の破れを生成できないと主張している。量子コherー二ンスが泡の壁の薄い外層に限定されることにより、ボリオン非対称性が無視できるほど抑制されることを示しており、最小限の標準模型においてFarrar-Shaposhnikovメカニズムが成立しないことを結論づけている。

ABSTRACT

We analyze the mechanism of electroweak baryogenesis proposed by Farrar and Shaposhnikov in which the phase of the CKM mixing matrix is the only source of $CP$ violation. This mechanism is based on a phase separation of baryons via the scattering of quasiparticles by the wall of an expanding bubble produced at the electroweak phase transition. In agreement with the recent work of Gavela, Hernández, Orloff and Pène, we conclude that QCD damping effects reduce the asymmetry produced to a negligible amount. We interpret the damping as quantum decoherence. We compute the asymmetry analytically. Our analysis reflects the observation that only a thin, outer layer of the bubble contributes to the coherent scattering of the quasiparticles. The generality of our arguments rules out any mechanism of electroweak baryogenesis that does not make use of a new source of $CP$ violation.

研究の動機と目的

• 標準模型におけるCKM位相が電弱ビアロジーネシスを通じて十分なボリオン非対称性を生成できるかどうかを評価すること。
• FarrarとShaposhnikovが非対称性が成立すると主張したのに対し、後続の解析では抑制が観察されたという矛盾を解消すること。
• 準粒子の減衰を量子デコherenceとして解釈し、泡の壁におけるコherentな散乱に与える影響を分析すること。
• 電弱ビアロジーネシスの状況において、CP対称性破れの観測量が生成される一般的な条件を確立すること。
• 最小限の標準模型において、CP対称性破れの唯一の原因としてCKM位相に依存するいかなるメカニズムに対しても、それを排除すること。

提案手法

• 有効場理論の手法を用いて、電弱転移期における準粒子の泡の壁への散乱を分析する。
• デコherenceの尺度として減衰率γをモデル化し、コherー二ンス長をℓ ∼ 1/γに制限する。
• 量子コherー二ンスの持続時間が限られているため、泡の壁の薄い外層のみがコherentな散乱に寄与することを特定する。
• 準粒子の幅と状態空間の抑制効果を組み込んだ解析的にボリオン非対称性を計算する。
• 元のFarrar-Shaposhnikovの計算と比較し、デコherenceによる抑制を示す。
• 厚い壁（δ ≫ ℓ）の状況に分析を拡張し、反射および散乱振幅が指数関数的にWKB的に抑制されることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型におけるCKM位相は、宇宙で観測されたオーダーのボリオン非対称性を生成できるか？
• RQ2 QCD由来の準粒子減衰は、電弱ビアロジーネシスにおけるCP対称性破れ過程をどの程度抑制するか？
• RQ3 強い減衰が存在する中で、十分な距離にわたる準粒子のコherentな散乱は可能か？
• RQ4 デコherence効果を適切に考慮した場合、FarrarとShaposhnikovが提唱したメカニズムは生存可能か？
• RQ5 CKM位相のみに依存する電弱ビアロジーネシスメカニズムが成功する一般的な条件は何か？

主な発見

• Farrar-Shaposhnikovメカニズムによって生成されるボリオン/エントロピー比は、QCD由来のデコherenceのため、無視できるほど抑制される。
• 準粒子のコherー二ンスは泡の壁の薄い外層に限定され、コherentな散乱の確率が著しく低下する。
• コherー二ンス長ℓ ∼ 1/(g_s²T)は、有効なCP対称性破れに必要なスケールよりも通常3桁短い。
• CP奇の観測量は、複数のフレーバー混合とヘリシティ反転を伴う振幅の干渉を必要とし、これはℓm_qの累乗で抑制される。
• QCD相互作用によるコherー二ンスの破壊が生じると、Jarlskog不変量や他のCP奇の不変量は非対称性を生成できなくなる。
• 重いクォーク（例：トップクォーク）や新しいCP対称性破れ源（例：2重ヒッグスダブルット、SUSY）を含むメカニズムでなければ、この抑制を回避できない。