[论文解读] Baryogenesis: The Lepton Leaking Mechanism

Luı́s Bento, Zurab Berezhiani|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 10

一句话总结

本文提出了一种新颖的重子生成机制——'轻子泄漏'——其中通过由大质量马约拉纳中微子介导的、破坏轻子数的散射过程，将普通轻子转化为一个贫乏的隐秘 sector，从而生成 $B-L$ 异常。与传统的轻子生成机制不同，该机制即使在重加热温度低于马约拉纳中微子质量尺度（低至 $10^9$ GeV）时仍可运作，从而避开了超引力模型中因 gravitino 过量产生带来的约束。

ABSTRACT

We propose a baryo- and leptogenesis mechanism in which the B-L asymmetry is produced in the conversion of ordinary leptons into particles of some depleted hidden sector. In particular, we consider the lepton number violating reactions, l Higgs -> l' Higgs', \bar{l'} \bar{Higgs'}, mediated by the heavy Majorana neutrinos N of the seesaw mechanism, where l and Higgs are ordinary lepton and Higgs doublets and l', Higgs' the ``sterile'' leptons and Higgs. This mechanism can operate even if the reheat temperature is smaller than the N Majorana masses, in which case the usual leptogenesis mechanism through N decays is ineffective. In particular, the reheat tempearture can be as low as 10^9 GeV or less.

研究动机与目标

• 解决在标准轻子生成机制因重加热温度过低而失效的场景中，生成 $B-L$ 异常的挑战。
• 探索不依赖于大质量马约拉纳中微子非平衡衰变的替代重子生成机制。
• 证明即使隐秘 sector 初始时为空或冷态，$B-L$ 异常仍可通过涉及隐秘 sector 的 $L$-破坏散射过程生成。
• 表明该机制与超引力约束兼容，特别是由于 gravitino 过量产生导致的重加热温度上限（$T_R < 10^9$–$10^{10}$ GeV）。
• 建立一个框架，其中普通与隐秘 sector 之间的 $CP$ 破坏相互作用导致轻子向隐秘 sector 的不对称泄漏，从而产生净的 $B-L$ 异常。

提出的方法

• 该机制依赖于由 seesaw 机制中的大质量马约拉纳中微子 $N$ 介导的 $L$-破坏散射过程 $l\bar{\nu}\to l'\bar{\nu}'$ 和 $\bar{l}\nu\to \bar{l}'\nu'$。
• 假设隐秘 sector 初始时贫乏或冷态，与可见 sector 无热接触，确保非平衡条件。
• 有效 $CP$ 破坏源于 $lN\bar{\nu}$ 和 $\bar{l}N\nu$ 顶点处的复 Yuka 楷耦合，导致不对称截面 $\sigma(l\phi\to X') \neq \sigma(\bar{l}\bar{\phi}\to X')$。
• 该过程由通过 $\Delta L = 1$ 相互作用从可见 sector 向隐秘 sector 泄漏轻子数所驱动，且由于 sphaleron 过程，$B-L$ 异常得以保持。
• 该模型假设隐秘 sector 包含惰性轻子 $l'$ 和 Higgs $\phi'$，其变换于独立的规范群 $G'$ 下，而信使 $N$ 在 $G$ 和 $G'$ 下均为单态。
• 该机制具有一般性，不依赖于特定模型，镜像 sector（与可见 sector 相同）是 $G'$ 的可行候选。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过 $L$-破坏散射过程而非大质量马约拉纳中微子的衰变，在早期宇宙中生成 $B-L$ 异常？
• RQ2 当重加热温度低于马约拉纳中微子质量尺度时，是否仍可生成足够的 $B-L$ 异常？
• RQ3 $lN\phi$ 顶点中的 $CP$ 破坏如何导致轻子向隐秘 sector 的不对称泄漏？
• RQ4 该机制对重加热温度施加了何种约束，特别是在因 gravitino 过量产生而存在上限的超引力模型中？
• RQ5 该机制是否能自然地通过镜像重子数在隐秘 sector 中产生自相互作用的暗物质候选者？

主要发现

• 轻子泄漏机制即使在重加热温度低至 $10^9$ GeV 时，也能通过 $L$-破坏散射过程生成 $B-L$ 异常，从而无需依赖 $N$ 的衰变。
• 该机制在 $N$ 的马约拉纳质量尺度以下仍有效，使其在因 gravitino 过量产生而要求 $T_R < 10^9$–$10^{10}$ GeV 的超引力模型中具有可行性。
• 反应速率中的 $CP$ 异常 $\Gamma(l\phi\to X') \neq \Gamma(\bar{l}\bar{\phi}\to X')$ 驱动了向隐秘 sector 的净轻子数泄漏。
• 由此产生的 $B-L$ 异常与重加热温度成正比，意味着更高温度区域会产生更大的异常，可能在 CMB 异常中导致相关联的等温扰动。
• 该机制可同时在可见和隐秘 sector 中生成 $B-L$ 异常，且 $n_{B-L} \sim n'_{B-L}$，表明隐秘 sector 可能包含与可见重子密度相当的镜像重子（$\Omega_B' \sim \Omega_B$）。
• 该模型允许具有相同规范结构和粒子内容的镜像 sector，可能源自 $E_8 \times E_8'$ 杂交弦理论，且通过自相互作用的镜像重子自然地提供暗物质候选者。