[论文解读] Baryogenesis and lepton number violation

Michael Pluemacher|ArXiv.org|Apr 3, 1996

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 17

一句话总结

本文提出了一种通过大统一理论框架下重右手中微子的非平衡衰变实现重子生成的机制，其中规范相互作用确保了衰变前的热平衡。由此产生的轻子不对称性经由 sphaleron 过程转化为观测到的重子不对称性，成功生成了 $Y_{B} \approx 5 \times 10^{-10}$，同时预测了与太阳中微子和大气中微子实验数据一致的轻子质量与混合参数。

ABSTRACT

The cosmological baryon asymmetry can be explained by the nonperturbative electroweak reprocessing of a lepton asymmetry generated in the out-of-equilibrium decay of heavy right-handed Majorana neutrinos. We analyze this mechanism in detail in the framework of a SO(10)-subgroup. We take three right-handed neutrinos into account and discuss physical neutrino mass matrices.

研究动机与目标

• 通过规范相互作用实现重右手中微子的热平衡，以缓解重子生成与暴胀之间的张力。
• 证明重Majorana中微子非平衡衰变产生的轻子不对称性可通过sphaleron过程生成观测到的重子不对称性。
• 构建一个现实的中微子质量矩阵，同时解释重子不对称性和低能中微子现象学，包括太阳中微子缺失和约几eV的$\tau$-中微子质量。
• 表明由于规范相互作用确保了衰变前的热平衡，最终的重子不对称性对初始条件不敏感，这与早期模型不同。

提出的方法

• 在共动体积中建立粒子数密度的玻尔兹曼方程，追踪热平衡与非平衡条件下的 $Y_{\psi} = n_{\psi}/s$。
• 利用三右手中微子的 seesaw 机制，通过 $m_{\nu} \approx m_D M^{-1} m_D^T$ 计算轻子中微子质量。
• 引入一个 U(1)_{X} 规范对称性以增强右手中微子的相互作用，使其在高温下实现热化。
• 利用狄拉克中微子质量矩阵中的复相位计算衰变中的 $CP$ 不对称性，其中 $\varepsilon_i \propto \text{Im}(\text{Tr}(m_D m_D^\dagger M^{-1}))$。
• 对多个重中微子态数值求解玻尔兹曼方程，表明最轻态在不对称性生成中占主导地位。
• 构建一个具有分层参数 $\rho, \sigma, \tau, \zeta$ 的质量矩阵，以同时重现重子不对称性和中微子现象学。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 SO(10) 大统一理论框架下，通过规范相互作用实现热平衡的重右手中微子衰变，是否可以生成重子不对称性？
• RQ2 经由 sphaleron 重新处理后的 $B-L$ 不对称性，是否能产生观测到的 $Y_B \approx 10^{-10}$？
• RQ3 同一模型是否能同时解释低能中微子质量与混合，包括约几eV的 $\tau$-中微子质量？
• RQ4 由于规范相互作用确保了衰变前的热平衡，最终的重子不对称性是否对初始条件不敏感？
• RQ5 在中微子质量矩阵中，哪些参数选择能同时产生正确的 $Y_{B-L}$ 和物理上可行的中微子质量与混合？

主要发现

• 该模型生成了 $Y_{B-L} = 5 \times 10^{-10}$ 的 $B-L$ 不对称性，经 sphaleron 重新处理后与观测到的重子不对称性一致。
• 由于规范相互作用确保了衰变前的热平衡，最终的重子不对称性对初始重中微子密度不敏感。
• 最轻的右手中微子主导了 $CP$ 不对称性，其中 $\varepsilon_1 \approx -1.3 \times 10^{-6}$ 且 $\varepsilon_2 \approx 4.6 \times 10^{-5}$。
• 该模型预测了轻子中微子质量为 $m_{\nu_e} \approx 8.9 \times 10^{-7}$ eV，$m_{\nu_\mu} \approx 1.9 \times 10^{-3}$ eV，以及 $m_{\nu_\tau} \approx 2.2$ eV，与 MSW 和冷+热暗物质情景一致。
• 轻子混合角 $\sin^2 2\theta_{e\mu} \approx 0.009$ 满足太阳中微子振荡的 MSW 条件。
• 该模型在超对称暴胀情景中可行，且再热温度低于 $10^8$ GeV，因为该机制在低温下即可运作。