[論文レビュー] Reconciling resonant leptogenesis and baryogenesis via neutrino oscillations

Juraj Klarić, Mikhail Shaposhnikov+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 188被引用数 70

ひとこと要約

この論文は、量子力学的運動論枠組みから生じる1つの枠組みによって、2つの低スケールの重lepogenesis機構—共鳴的重lepogenesisとニュートリノ振動によるバリオゲネシス—を統一する。重ニュートリノ質量が0.1 GeVから10⁶ GeVの範囲において、これらの機構のパラメータ空間が顕著に重複しており、強度フロントおよびエネルギーフロントが重マヨラナニュートリノを探索する上で相乗効果をもたらすことが明らかになった。

ABSTRACT

Right-handed neutrinos offer an elegant solution to two well established phenomena beyond the Standard Model (SM) - masses and oscillations of neutrinos, as well as the baryon asymmetry of the Universe. It is also a minimalistic solution since it requires only singlet Majorana fermions to be added to the SM particle content. If these fermions are nearly degenerate, the mass scale of right-handed neutrinos can be very low and accessible by the present and planned experiments. There are at least two well studied mechanisms of the low-scale leptogenesis: baryogenesis via oscillations and resonant leptogenesis. These two mechanisms were often considered separate, but they can in fact be understood as two different regimes of one and the same mechanism, described by a unique set of quantum kinetic equations. In this work we show, using a unified description based on quantum kinetic equations, that the parameter space of these two regimes of low-scale leptogenesis significantly overlap. We present a comprehensive study of the parameter space of the low-scale leptogenesis with the mass scale ranging from $0.1$ GeV to $\sim 10^6$ GeV. The unified perspective of this work reveals the synergy between intensity and energy frontiers in the quest for heavy Majorana neutrinos.

研究の動機と目的

• 共鳴的重lepogenesisとニュートリノ振動によるバリオゲネシスという2つの異なる低スケールの重lepogenesis機構を、1つの理論的枠組みで統合すること。
• 重マヨラナニュートリノ（HNL）の質量範囲が0.1 GeVから約10⁶ GeVにわたり、低スケールの重lepogenesisが成立するかを調査すること。
• 特に電弱スケール付近で高い平衡化率が存在するにもかかわらず、レプトン非対称性が洗い流されない条件を特定すること。
• フリーズインとフリーズアウトの重lepogenesis領域が、統一された運動論的記述によって分離したものではなく、つながっていることを示すこと。
• HNLモデルを検証するにあたり、強度フロント（振動、崩壊率）とエネルギーフロント（HNL生成、質量スケール）の相乗的役割を調査すること。

提案手法

• フリーズインとフリーズアウトの重lepogenesis領域を支配する統一された量子力学的運動論方程式を導出する。
• 2つのほぼデゲネレートした重マヨラナニュートリノを用いたシー・スイッチ機構を適用し、軽いニュートリノ質量とレプトン数の破れを生成する。
• ボルツマン方程式を完全な量子力学的運動論方程式の極限として適用し、手法の妥当性を検証する。
• 電弱対称性の破れ後に生じるHNLの直接的および間接的生成率を計算する。
• 有限温度効果と非平衡ダイナミクスを組み込んだ、全質量範囲にわたる運動論方程式の数値シミュレーションを実施する。
• 質量差（∆M）、ヨウカワカップリング、レプトン数保存の役割が、洗い流しを抑制し非対称性を維持するメカニズムを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共鳴的重lepogenesisとニュートリノ振動によるバリオゲネシスは、1つの統一された枠組みで記述可能か？
• RQ2 HNLのフリーズインとフリーズアウトの重lepogenesisの有効パラメータ空間の重なりはどの程度か？
• RQ3 有限温度補正と非平衡ダイナミクスは、電弱スケールでのレプトン非対称性の生存にどのように影響するか？
• RQ4 M ∼ MW,Z 付近で高い平衡化率が存在するにもかかわらず、レプトン非対称性の洗い流しがどのように抑制されるか？
• RQ5 近似的なレプトン数保存と質量差（∆M）が、GeV〜TeVスケールで非対称性をどの程度保護できるか？

主な発見

• 共鳴的重lepogenesisとニュートリノ振動によるバリオゲネシスのパラメータ空間は顕著に重複しており、2つの状態を示す1つの根本的メカニズムであることが示された。
• 有限質量効果と近似的なレプトン数保存のおかげで、洗い流しが抑制されるため、HNL質量が約10⁶ GeVまで重lepogenesisが成立することが判明した。
• 電弱スケール（M ∼ MW,Z）でも、洗い流し率が ∼∆M/Γ の因子で抑制されるため、レプトン非対称性が生存可能である。
• HNLの平衡分布に対する有限温度補正が、非平衡状態からのずれを生み出し、GeVスケールのフリーズアウト重lepogenesisを可能にする。
• 質量のデゲネレートによる共鳴的増幅メカニズムは、低質量域でも有効であり、共鳴的重lepogenesisの有効範囲をテルアススケール未満へと拡張する。
• 統一された運動論的枠組みにより、強度フロント実験（例：振動探索）とエネルギーフロント実験（例：LHCにおけるHNL探索）が、同じHNLパラメータ空間を補完的に探査できることを明らかにした。