[論文レビュー] Spontaneous Baryogenesis from Axions with Generic Couplings

Valerie Domcke, Yohei Ema+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 46被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、axion-like粒子が、陽子数を破壊する過程（例えば、スフェラロンや Weinberg 演算子）が存在する限り、最小のカップリング（例えば、グルーオンへのカップリング）のみを介しても、宇宙のバリオン非対称性を一般に生成可能であることを確立している。著者らは、任意のカップリングを扱える一般化された輸送形式を構築し、最終的な非対称性が、関与するオペレーターの有効性に応じて代数的方程式または微分方程式を解くことで決定されることを示した。また、場の再定義や冗長性が自動的に処理され、誤差が生じないことも示した。

ABSTRACT

Axion-like particles can source the baryon asymmetry of our Universe through spontaneous baryogenesis. Here we clarify that this is a generic outcome for essentially any coupling of an axion-like particle to the Standard Model, requiring only a non-zero velocity of the classical axion field while baryon or lepton number violating interactions are present in thermal bath. In particular, coupling the axions only to gluons is sufficient to generate a baryon asymmetry in the presence of electroweak sphalerons or the Weinberg operator. Deriving the transport equation for an arbitrary set of couplings of the axion-like particle, we provide a general framework in which these results can be obtained immediately. If all the operators involved are efficient, it suffices to solve an algebraic equation to obtain the final asymmetries. Otherwise one needs to solve a simple set of differential equations. This formalism clarifies some theoretical subtleties such as redundancies in the axion coupling to the Standard Model particles associated with a field rotation. We demonstrate how our formalism automatically evades potential pitfalls in the calculation of the final baryon asymmetry.

研究の動機と目的

• axion誘導の自発的バリオン生成が、標準模型のすべてのカップリングにおいて一般に成立することを確立すること。
• axion媒介のバリオン生成モデルにおける場の再定義や冗長なカップリングに起因する理論的曖昧性を解消すること。
• 任意のaxion-標準模型場へのカップリングからバリオン非対称性を計算するための一般的で基底に依存しない形式を構築すること。
• 最終的なバリオン非対称性が保存される条件を明確にし、axionの力学的性質と標準模型の過程にどのように依存するかを明らかにすること。

提案手法

• 非ゼロの速度を持つ古典的axion場の存在下で、電流演算子の期待値に対する輸送方程式を導出する。
• axionの時間微分に起因するソース項を輸送方程式に導入し、これが有効な化学ポテンシャルとして作用することを示す。
• 線形応答理論と遅延相関関数を用いて、熱平衡状態におけるaxion誘導のバイアスを計算する。
• 電荷ベクトルによるカップリングの分類を行い、基底の分解と直交射影を用いて冗長なパrameterizationを同定する。
• axion力学へのバックレアクションがゼロとなる条件を導出し、有効場理論の一貫性を保証する。
• 有効なオペレーターに対しては代数的解法、非効率なオペレーターに対しては微分方程式による解法を適用し、定量的予測を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 axion-like粒子がバリオン数を破壊する相互作用に直接カップルしない場合でも、グルーオンへのカップリングのみでバリオン非対称性を生成できるか？
• RQ2 場の再定義に起因するaxionカップリングの冗長性は、この形式がどのように処理され、なぜ最終的な非対称性に影響しないのか？
• RQ3 標準模型のスフェラロンや Weinberg 演算子が存在する条件下で、axionの速度が非ゼロのバリオン非対称性を誘導する条件は何か？
• RQ4 最終的なバリオン非対称性が代数的方程式を解くことで得られるのか、それとも微分方程式の連立系を解くことで得られるのか、何がその条件を決定するか？
• RQ5 最終的な非対称性は、axionのモデルパラメータ（例えば、axionの崩壊定数やカップリング定数）にどのように依存するか？

主な発見

• axionの非ゼロの速度とバリオン数・レプトン数を破壊する過程（例えば、スフェラロンや Weinberg 演算子）が存在する限り、axion-like粒子が標準模型にカップルする任意の形で、自発的バリオン生成が一般に成立する。
• SU(3) クリーン＝シモンズ演算子を通じてグルーオンへのカップリングのみを持つaxionでも、電弱スフェラロンが存在する限り、バリオン非対称性を生成可能である。
• バリオン数を破壊する過程が凍結した後も、最終的なバリオン非対称性は保存され、axion誘導のソース項を含む輸送方程式の平衡解によって決定される。
• 電荷ベクトルの直交分解を用いて冗長なカップリングを同定・削除することで、形式は自動的に場の再定義の曖昧性を処理する。
• すべてのオペレーターが有効な場合、最終的な非対称性は単一の代数的方程式を解くことで得られるが、そうでない場合には微分方程式の連立系を解く必要がある。
• axionへのバックレアクションがゼロとなる条件が導出され、それはアクティブな電流の基底に対するソース電荷ベクトルの特定の直交性条件に等しいことが示された。