[论文解读] Charged $B$ Mesogenesis

Fatemeh Elahi, Gilly Elor+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本文提出了两种新机制——B⁺c 介子生成与 B⁺ 介子生成——通过在约10 MeV温度下的带电B介子衰变中利用CP破坏，生成观测到的重子不对称性和暗物质。两种情形均利用标量场在非热平衡状态下衰变为标准模型夸克，这些夸克强子化为带电B介子，其CP破坏性衰变在可见 sector 和暗物质 sector 中产生大小相等、符号相反的重子不对称性，同时自然地生成暗物质丰度。

ABSTRACT

We leverage the CP violation in charged $B$ meson decays to generate the observed baryon asymmetry and dark matter at $\mathcal{O}(10 ext{ MeV})$ temperatures. We realize this in two scenarios: $B_c^+$ Mesogenesis and $B^+$ Mesogenesis. In the first, CP violating $B_c^\pm$ decays to $B^\pm$ mesons are followed by decays to dark and Standard Model baryons. In the second, CP violating $B^\pm$ decays to lighter charged mesons are accompanied by the latter's decays to dark and Standard Model leptons, which then scatter into the baryon asymmetry. $B_c^+$ Mesogenesis is actively being probed at Belle and LHCb, while $B^+$ Mesogenesis can be tested at colliders and sterile neutrino searches.

研究动机与目标

• 解决宇宙中观测到的重子不对称性和暗物质起源这一未解之谜。
• 提出一种基于标准模型中已存在的CP破坏的低尺度重子生成机制。
• 在单一框架内统一重子不对称性生成与暗物质产生。
• 使该机制可在现有及未来的对撞机实验中进行检验。

提出的方法

• 提出标量场Φ在TBBN与TQCD之间的温度下，以非热平衡方式衰变为标准模型夸克。
• 产生的夸克强子化为带电B介子，其发生CP破坏性衰变。
• 在B⁺c 介子生成中，B±c 介子的CP破坏性衰变产生暗物质与标准模型重子，总重子数守恒。
• 在B⁺ 介子生成中，B± 介子的CP破坏性衰变产生暗物质与标准模型轻子，后者通过暗物质 sector 的相互作用转化为重子不对称性。
• 该机制确保可见 sector 与暗物质 sector 中产生大小相等、符号相反的重子不对称性，满足萨哈罗夫条件。
• 暗物质候选者与重子不对称性同时自然生成，其丰度由介子衰变中的CP破坏不对称性决定。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低温（约10 MeV）下，带电B介子衰变中的CP破坏是否能生成观测到的重子不对称性和暗物质？
• RQ2 是否可能仅利用标准模型中的CP破坏，在单一机制中统一实现重子生成与暗物质产生？
• RQ3 B⁺c 介子生成与B⁺ 介子生成在现象学特征与实验可检验性方面有何不同？
• RQ4 哪些关键实验可观测量可在未来在Belle、LHCb或未来对撞机上确认这些机制？

主要发现

• B⁺c 介子生成是迄今为止最简单的介子生成实现方式，依赖于B±c 介子CP破坏性衰变为暗物质与标准模型重子。
• B⁺ 介子生成利用B±介子衰变为轻介子的CP破坏，随后在暗物质 sector 中实现轻子到重子的转换。
• 两种机制均通过标准模型中的CP破坏过程生成观测到的重子不对称性和暗物质丰度。
• 该机制可在Belle与LHCb上进行检验，其中B⁺c 介子生成已处于积极的实验探测之中。
• 两种情形中的暗物质候选者均以正确的遗迹密度生成，其数值与介子衰变中的CP不对称性直接关联。
• 这些模型避免了精细调节，且除标量Φ与暗物质 sector 粒子外，无需引入新的重态。