[論文レビュー] Leptogenesis in GeV scale seesaw models

Pilar Hernández, M. Kekic+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 36被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、3つのスタンダードモデル以外のニュートリノを伴うGeVスケールのシー・スイッチモデルにおけるレプトゲネシスを調査し、崩壊ではなく非熱的生成によってレプトン非対称性が生じることを提案する。混合角の3次までの摂動展開による量子キネティック方程式の解析的解を用いて、重要なCP不変量を同定し、質量が非縮退で、アクティブ・ステアラ・ニュートリノ混合が測定可能であっても、顕著なバリオン非対称性が生成可能であることを示し、共鳴的状況を超えた有効なパラメータ空間を拡張する。

ABSTRACT

We revisit the production of leptonic asymmetries in minimal extensions of the Standard Model that can explain neutrino masses, involving extra singlets with Majorana masses in the GeV scale. We study the quantum kinetic equations both analytically, via a perturbative expansion up to third order in the mixing angles, and numerically. The analytical solution allows us to identify the relevant CP invariants, and simplifies the exploration of the parameter space. We find that sizeable lepton asymmetries are compatible with non-degenerate neutrino masses and measurable active-sterile mixings.

研究の動機と目的

• 観測された宇宙のバリオン非対称性が、3つのスタンダードモデル以外のニュートリノを伴う最小限のGeVスケールのシー・スイッチモデルにおけるレプトゲネシスによって生成可能かどうかを検討すること。
• 非熱的ステアラ・ニュートリノ生成におけるレプトン非対称性生成を支配する関連するCP不変量を同定すること。
• 質量が非縮退で、アクティブ・ステアラ混合角が測定可能である場合に、標準の共鳴的レプトゲネシスフレームワークを超えて分析すること。
• キネティック方程式の解析的解を導出することで、高次元パラメータ空間の効率的探索を可能とすること。
• MultiNestパッケージを用いたモンテカルロスキャンにより、観測されたニュートリノ質量・混合角およびバリオン非対称性と整合する領域を同定すること。

提案手法

• 3つの右手性ステアラ・ニュートリノと対角的メジャナ質量行列を有する最小限のタイプIシー・スイッチモデルを定式化する。
• 混合角の摂動展開を用いて、ステアラ・ニュートリノ生成のための量子キネティック方程式の解析的解を、3次まで導出する。
• レプトン非対称性生成を支配する主要なCP奇性不変量（例：$ J_W $ および $ I^{(3)}_2 $）を同定する。
• さまざまなパラメータ設定において、解析的解とキネティック方程式の数値解を比較し、近似の妥当性を検証する。
• MultiNestパッケージを用いて、測定済みのニュートリノ質量・混合角を制約条件として、全パラメータ空間をスキャンする。
• 数値的解法が不安定または剛性を示す領域においても、解析的フレームワークを用いてパラメータ空間に到達可能であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非縮退のステアラ・ニュートリノ質量を持つGeVスケールのシー・スイッチモデルにおいて、顕著なレプトン非対称性が生成可能か？
• RQ2 非熱的ステアラ・ニュートリノ生成におけるレプトン非対称性生成に最も関連するCP不変量は何か？
• RQ3 アクティブ・ステアラ混合角が測定可能である場合、観測されたバリオン非対称性を生成するための有効なパラメータ空間はどのようなものか？
• RQ4 3次摂動展開による解析的解は、キネティック方程式の完全な数値解をどの程度正確に記述できるか？
• RQ5 質量の縮退を要件としない状況でも、測定済みのニュートリノ質量・混合角と正しいバリオン非対称性を同時に満たすモデルは可能か？

主な発見

• 非縮退のステアラ・ニュートリノ質量を持つGeVスケールのシー・スイッチモデルでも、顕著なレプトン非対称性が生成可能であり、成功したレプトゲネシスには質量の縮退が必須でないことを示唆する。
• 混合角の3次までの解析的解は、広範なパラメータ範囲において数値解を正確に再現でき、パラメータ空間の効率的探索を可能にする。
• CP不変量 $ J_W $ および $ I^{(3)}_2 $ がレプトン非対称性生成において主導的役割を果たすことが同定され、特に $ J_W $ は非熱的生成メカニズムにおいて顕著な寄与を示す。
• 観測されたバリオン非対称性が再現可能なパラメータ空間の領域が存在し、アクティブ・ステアラ混合角が $ heta_{13} \to 10^{-2} $ に達する場合でも、現在の制約と整合的である。
• 第3のステアラ・ニュートリノが分離されていなくても、モデルは有効であり、温いダークマター候補を必要としない。
• 解析的フレームワークにより、数値積分が失敗する剛性領域にも到達可能であり、スキャンの範囲が著しく拡張された。