[论文解读] Leptogenesis, neutrino mixing data and the absolute neutrino mass scale

Pasquale Di Bari|ArXiv.org|Jun 10, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 15

一句话总结

本文研究了热轻子生成作为解释宇宙中观测到的重子不对称性的机制，表明中微子混合数据支持一种重右手中微子在非相对论性区域非热平衡衰变的场景。文章推导了最轻右手中微子质量与绝对中微子质量标度的解析上限，得出结论：中微子质量超过0.1 eV与最小热轻子生成模型不相容，对宇宙学和实验室实验具有重要意义。

ABSTRACT

Recent developments in thermal leptogenesis are reviewed. Neutrino mixing data favor a simple picture where the matter-anti matter asymmetry is generated by the decays of the heavy RH neutrinos mildly close to thermal equilibrium and, remarkably, in the full non relativistic regime. This results into predictions of the final baryon asymmetry not depending on the initial conditions and with minimized theoretical uncertainties. After a short outline of a geometrical derivation of the CP asymmetry bound, we derive analytic bounds on the lightest RH neutrino mass and on the absolute neutrino mass scale. Neutrino masses larger than 0.1 eV are not compatible with the minimal leptogenesis scenario. We discuss how the results get just slightly modified within the minimal supersymmetric standard model. In particular a conservative lower bound on the reheating temperature, T_R \gtrsim 10^9 GeV, is obtained in the relevant effective neutrino mass range tilde{m}_1 \gtrsim 3x10^{-3} eV. We also comment on the existence of a `too-short-blanket problem' in connection with the possibility of evading the leptogenesis neutrino mass bound.

研究动机与目标

• 利用当前中微子混合数据评估最小热轻子生成在解释观测到的重子不对称性方面的可行性。
• 推导最轻右手中微子质量与绝对中微子质量标度的模型无关上限。
• 检验热轻子生成与宇宙学及粒子物理约束（特别是再热温度和有效中微子质量）的一致性。
• 评估未来对绝对中微子质量标度的实验测量对检验最小轻子生成场景的启示。

提出的方法

• 利用非平衡重粒子衰变的输运理论，建模通过重右手中微子衰变生成重子不对称性的过程。
• 应用C𝑒不对称参数ε与衰变参数K，描述不对称性生成的效率。
• 利用衰变参数K与中微子混合数据之间的关系，推导最轻右手中微子质量与绝对中微子质量标度的解析上限。
• 引入有效中微子质量 Ÿm1，并通过条件TR ≥ 10^9 GeV（当Ÿm1 ≥ 3×10^{-3} eV时）将其与再热温度TR关联。
• 考虑最小超对称标准模型（MSSM）以评估对最小轻子生成场景的修正。
• 分析“太短毯子问题”以评估在满足高再热温度要求的同时规避中微子质量上限的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与最小热轻子生成和当前中微子混合数据相容的绝对中微子质量标度最大允许值是多少？
• RQ2 热轻子生成中的再热温度如何依赖于有效中微子质量与最轻右手中微子质量？
• RQ3 在最小热轻子生成框架下，观测到的重子不对称性是否可以独立于初始条件得到解释？
• RQ4 高再热温度要求对重中微子质量谱及简并可能性施加了何种约束？
• RQ5 未来对绝对中微子质量标度与无中微子双贝塔衰变的测量，如何检验最小热轻子生成的预测？

主要发现

• 中微子质量超过0.1 eV与最小热轻子生成场景不相容，为绝对中微子质量标度提供了强有力的上限。
• 对于有效中微子质量Ÿm1 ≥ 3×10^{-3} eV，获得了再热温度TR ≥ 10^9 GeV的保守下限。
• 由于处于非相对论性、轻微非平衡衰变区域，最终的重子不对称性预测具有最小的理论不确定性，并且独立于初始条件。
• 所预测的重子不对称性稳定且具有模型无关性，类似于大爆炸核合成的预测能力。
• 只有当绝对中微子质量标度位于(10^{-3} - 10^{-1}) eV窗口内时，最小轻子生成场景才具有鲁棒性，未来数据将对此提供强有力支持。
• “太短毯子问题”表明，在最小热轻子生成中，高再热温度与规避中微子质量上限无法同时满足。