[论文解读] Cosmological Baryon Asymmetry and Neutrinos: Baryogenesis via Leptogenesis in Supersymmetric Theories

Koichi Hamaguchi|ArXiv.org|Dec 19, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 67被引用 14

一句话总结

该论文提出了一种在超对称理论中通过轻子生成机制实现重子生成的机制，其中通过重右手中微子的非平衡衰变产生轻子不对称性，并通过萨普勒过程将其转化为重子不对称性。关键结果表明，成功的轻子生成需要$B-L$破坏以及足够的初始轻子不对称性，同时受到早期宇宙中 gravitino 过量产生和热洗脱效应的约束。

ABSTRACT

Leptogenesis in supersymmetric model is discussed comprehensively and in detail. In the first half, we discuss several leptogenesis mechanisms by the decay of heavy right-handed neutrino, which include the standard thermal leptogenesis, leptogenesis via inflaton decay, and leptogenesis from the coherent oscillation of the right-handed sneutrino. In the second half, we perform a detailed analysis on the leptogenesis via the LHu flat direction (Affleck-Dine leptogenesis).

研究动机与目标

• 通过超对称模型中的轻子生成机制解释宇宙中观测到的重子不对称性。
• 研究由重右手中微子衰变产生的轻子不对称性如何通过萨普勒过程导致净重子不对称性。
• 分析热洗脱、gravitino 过量产生以及成功重子生成所需的$B-L$破坏所施加的约束。
• 探讨通过 MSSM 中的平坦方向（如$LH_u$平坦方向）实现的替代轻子生成机制及其在宇宙学约束下的可行性。

提出的方法

• 利用早期宇宙中$CP$破坏过程，通过重右手中微子的衰变生成轻子不对称性。
• 应用重子生成的萨赫罗夫条件，将$B$破坏替换为$B-L$破坏，以防止萨普勒过程对不对称性的洗脱。
• 分析 MSSM 中的$LH_u$平坦方向作为通过相干振荡和衰变产生轻子不对称性的来源。
• 通过有效势和运动方程，从平坦方向场的初始振幅和相位推导轻子不对称性。
• 评估规范$U(1)_{B-L}$对称性施加的约束，包括避免早期振荡和洗脱的条件。
• 考虑预加热和标量场衰变对右手中微子产生及后续轻子生成的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超对称理论中，如何通过重右手中微子衰变生成轻子不对称性？
• RQ2 需要满足什么条件才能防止萨普勒过程洗脱生成的重子不对称性？
• RQ3 MSSM 中的$LH_u$平坦方向能否作为轻子生成的可行轻子不对称性来源？
• RQ4 gravitino 过量产生和热洗脱如何影响轻子生成情景的可行性？
• RQ5 $U(1)_{B-L}$规范对称性在稳定轻子不对称性和避免早期振荡方面起什么作用？

主要发现

• 由右手中微子衰变产生的轻子不对称性与$CP$破坏相位和衰变宽度差的乘积成正比，不对称参数$\epsilon \sim \mathcal{O}(10^{-6})$，适用于层级型右手中微子。
• 萨普勒过程以$n_B/s \approx \frac{1}{3} n_L/s$的比例将轻子不对称性转化为重子不对称性，同时保持$B-L$数守恒。
• 除非右手中微子质量高于$10^{9}$ GeV，否则热洗脱会抑制最终的不对称性，从而确保非平衡衰变。
• $LH_u$平坦方向可通过相干振荡产生轻子不对称性，其不对称性取决于初始场振幅和相位。
• 当再加热温度低于$10^8$ GeV时，gravitino 过量产生被抑制，使得$\widetilde{N}$主导的宇宙情景成为可行。
• $U(1)_{B-L}$对称性可稳定平坦方向并防止早期振荡，前提是初始相位不过大且质量标度足够高。