[논문 리뷰] Leptogenesis and Low Energy CP Violation

G.C. Branco, Takuya Morozumi외 2명|ArXiv.org|2002. 04. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 우주의 관측된 기저 대칭 비대칭을 일으키는 렙토제네시스를 이끄는 CP 위반과, 중성자 파동에서 관측 가능한 저에너지 CP 위반 사이의 연관성을 조사한다. 세 개의 세대를 가진 최소 시즈 모형을 사용하여, 렙토제네시스와 저에너지 현상에 관련된 서로 다른 CP 위반 위상들을 규명하였으며, 일반적인 연결고리는 존재하지 않음을 보였다. 그러나 특정한 제약 조건을 가진 풍미 대칭 모형이나 GUT 유사한 구조(예: $ m = dU_R $)에서는 기저 대칭 비대칭의 부호와 크기와 저에너지 CP 위반 사이에 직접적인 관계가 존재할 수 있음을 보였다.

ABSTRACT

We discuss the possibility of relating the size and sign of the observed baryon asymmetry of the universe to CP violation observable at low energies, in a framework where the observed baryon asymmetry is produced by leptogenesis through out of equilibrium decay of heavy Majorana neutrinos. We have shown that although in general such a connection cannot be established, there are specific frameworks where a link does exist. Furthermore, we identify the CP violating phases relevant to leptogenesis and those relevant for low energy CP violation and build weak basis invariant conditions for CP conservation.

연구 동기 및 목표

• 렙토제네시스를 통해 우주의 기저 대칭 비대칭을 생성하는 데 기여하는 CP 위반이 중성자 진동에서 관측 가능한 저에너지 CP 위반과 연결될 수 있는지 규명하는 것.
• 렙토제네시스에 관련된 CP 위반 위상과 중성자 진동 파rameter와 같은 저에너지 관측량에 影향을 미치는 위상들을 식별하는 것.
• 최소 시즈 모형에서 CP 보존 및 CP 위반 상황을 구분하는 데 약한 기저 불변량이 사용될 수 있는지 검토하는 것.
• 풍미 대칭 모형이나 GUT 유사한 구조와 같은 특수한 이론적 프레임워크에서, 저에너지 CP 위반과 렙토제네시스 사이에 직접적인 연결고리가 존재할 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 오른쪽 수반 중성자를 표준모형에 추가하여 시즈 메커니즘을 통해 작은 중성자 질량을 생성하는 세 개의 세대를 가진 최소 시즈 모형을 분석한다.
• 중성자 디르락 질량 행렬 $ m $ 내의 CP 위반 위상을 규명하며, 렙토제네시스에 영향을 주는 위상(예: $ \sigma, \beta_1, \beta_2 $)과 저에너지 관측량(예: 중성자 진동에서의 $ \delta $)에 영향을 주는 위상을 구분한다.
• 특히 $ \text{Tr}[h_{\text{ef}}, h_l]^3 $ 와 같은 약한 기저 불변량을 사용하여 중성자 진동에서의 저에너지 CP 위반을 정량화한다.
• 일차원 고리 자기에너지 및 정점 보정을 사용하여 렙토제네시스 비대칭 $ \varepsilon_j $ 를 유도하며, 이는 오직 $ \sigma, \beta_1, \beta_2 $ 에만 의존함을 보여준다.
• 저에너지 관측량에 대한 위상 제약 조건을 분석하기 위해, $ m_l $ 과 $ M_R $ 이 대각선이고 실수인 약한 기저에서 $ m = dU_R $ 라는 매개변수화를 적용한다.
• 특정 대칭 제약 조건 하에서, 기저 대칭 비대칭의 부호와 크기 $ n_B/s \sim 10^{-10} $ 와 중성자 진동에서의 CP 위반 강도 사이의 관계를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 렙토제네시스 프레임워크 내에서 관측된 기저 대칭 비대칭의 크기와 부호가 중성자 진동에서의 저에너지 CP 위반과 연결될 수 있는가?
• RQ2 시즈 모형 내에서 렙토제네시스를 담당하는 CP 위반 위상과 저에너지 관측량에 영향을 주는 위상들은 각각 무엇인가?
• RQ3 어떤 이론적 조건에서 렙토제네시스와 저에너지 CP 위반 사이에 직접적인 연결고리가 존재할 수 있는가?
• RQ4 풍미 대칭 또는 GUT 유사한 구조(예: $ m = dU_R $)는 고에너지 및 저에너지 수준의 CP 위반 간의 관계에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ5 약한 기저 불변량을 사용하여 최소 시즈 모형에서 CP 보존 및 CP 위반 상황을 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 일반적인 최소 시즈 모형에서는, 서로 다른 CP 위반 위상 집합이 관여하기 때문에, 렙토제네시스를 이끄는 CP 위반과 저에너지 CP 위반 사이에 직접적인 연결고리가 존재하지 않는다.
• 렙토제네시스는 오직 $ \sigma, \beta_1, \beta_2 $ 위상에 의존하며, 이들은 메이저라 위상으로서 물리적 중성자 질량에서 제거될 수 있다.
• 중성자 진동에서의 저에너지 CP 위반은 모든 여섯 개의 위상 $ \rho, \alpha_1, \alpha_2, \sigma, \beta_1, \beta_2 $ 에 의존하는 효과적 위상 $ \delta $ 에 의해 결정되며, 일반적인 매핑은 불가능하다.
• 오직 하나의 위상(예: $ \sigma $)만 비영인 특수한 모형, 즉 풍미 대칭 모형이나 GUT 유사 구조에서, 관측된 기저 대칭 비대칭과 저에너지 CP 위반 사이에 직접적인 연결고리가 존재할 수 있다.
• 특수한 경우 $ m = dU_R $ 에서, $ d $ 가 대각선이고 $ U_R $ 가 유니터리일 경우, 관계가 해석 가능해져서 기저 대칭 비대칭의 부호와 중성자 진동에서의 CP 위반 강도 사이에 일대일 대응이 가능하다.
• 약한 기저 불변량 $ \text{Tr}[h_{\text{ef}}, h_l]^3 $ 는 저에너지 CP 위반을 모형에 종속되지 않게 측정할 수 있으며, 이는 $ \delta $ 가 중성자 진동에서의 CP 위반에 관련된 중요한 위상임을 확인한다.