[论文解读] Baryogenesis -- 40 Years Later

W. Buchmüller|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 23

一句话总结

本文回顾了过去40年重子生成理论的演变，重点讨论电弱重子生成、轻子生成以及Affleck-Dine机制。结果表明，标准模型中的电弱重子生成已被LEP对希格斯玻色子质量的限制排除；而热轻子生成仅在极窄的中微子质量窗口（10⁻³–0.1 eV）内可行，且味效应显著增强了重子不对称性，从而放宽了对轻中微子质量的约束。

ABSTRACT

The classical picture of GUT baryogenesis has been strongly modified by theoretical progress concerning two nonperturbative features of the standard model: the phase diagram of the electroweak theory, and baryon and lepton number changing sphaleron processes in the high-temperature symmetric phase of the standard model. We briefly review three viable models, electroweak baryogenesis, the Affleck-Dine mechanism and leptogenesis and discuss the prospects to falsify them. All models are closely tied to the nature of dark matter, especially in supersymmetric theories. In the near future results from LHC and gamma-ray astronomy will shed new light on the origin of the matter-antimatter asymmetry of the universe.

研究动机与目标

• 在现代粒子物理与宇宙学框架下，评估主要重子生成机制——电弱重子生成、轻子生成及Affleck-Dine重子生成的可行性。
• 考察标准模型中非微扰效应（特别是Sphaleron过程与电弱相变）对重子生成情景的约束。
• 探讨重子生成与暗物质之间的相互作用，尤其在超对称理论中，评估这些模型与观测约束的一致性。
• 研究热轻子生成中味效应的作用及其对轻中微子质量允许参数空间的影响。
• 评估未来LHC与伽马射线天文学数据在证伪或证实关键重子生成模型（如电弱重子生成或轻子生成）方面的前景。

提出的方法

• 利用格点QCD与重求和技术分析电弱相图，确定相变性质（一级相变或交叉转变）随希格斯玻色子质量的变化。
• 通过解析重求和与数值格点计算评估高温对称相中Sphaleron跃迁率，确立在约10¹² GeV以下B与L破坏过程的热平衡。
• 应用化学势形式化推导关系式 ⟨B⟩_T = c_S ⟨B−L⟩_T = c_S/(c_S−1) ⟨L⟩_T，其中在包含三代的標準模型中 c_S = 28/79。
• 通过重Majorana中微子衰变建模热轻子生成，结合量子输运方程（Kadanoff-Baym）与味依赖的衰变速率，计算最终的重子不对称性。
• 考虑非热轻子生成与Affleck-Dine重子生成作为替代方案，尤其在重中微子热产生与暗物质约束不相容的情况下。
• 评估模型与宇宙学及粒子物理约束的一致性，包括LEP对希格斯玻色子质量的限制（m_H > 114 GeV）、重子不对称性 η_B ≈ 6×10⁻¹⁰，以及在超对称模型中要求 T_reheat < 10⁹ GeV。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LEP对希格斯玻色子质量的限制与电弱相变性质下，标准模型中的电弱重子生成是否可行？
• RQ2 成功实现热轻子生成所允许的轻中微子质量范围是什么？味效应如何改变这一窗口？
• RQ3 高温对称相中的Sphaleron过程如何影响重子数与轻子数不对称性的生成与存活？
• RQ4 暗物质情景（特别是WIMP与引力子暗物质）对超对称理论中重子生成机制施加了何种约束？
• RQ5 未来LHC与伽马射线天文学观测能否证伪或证实关键重子生成模型，如电弱重子生成或轻子生成？

主要发现

• 由于LEP对希格斯玻色子质量的限制（m_H > 114 GeV），标准模型中的电弱重子生成被排除，因为这表明电弱相变为交叉转变，无法实现热平衡的偏离。
• 热轻子生成仅在轻中微子质量窗口 10⁻³ eV < m_i < 0.1 eV 内可行，因为质量过大将导致CP不对称性不足且洗刷效应过强。
• 重Majorana中微子衰变中的味效应可使生成的重子不对称性增强最多两倍，显著放宽了对轻中微子质量的上限约束。
• 在热轻子生成中，重子不对称性仅由中微子性质决定，η_B 与初始条件（包括任何既存的重子不对称性）无关。
• 只有当重中微子质量 M_1 落于约 10⁹–10¹² GeV 范围内时，热轻子生成才能产生 η_B ≈ 6×10⁻¹⁰ 的重子不对称性，具体取决于初始丰度。
• 最简单的热轻子生成版本与具有中性子LSP和引力子暗物质的最小超对称标准模型（MSSM）不相容，这是由于再加热温度的约束，因而更倾向于选择引力子等其他暗物质候选者。