[论文解读] Domain walls and CP violation with left right supersymmetry:implications for leptogenesis and electron EDM

P. Banerjee, Urjit A. Yajnik|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 69被引用 6

一句话总结

本文通过将产生重子不对称性的域壁中的CP破坏相位与电子电偶极矩（EDM）这一低能可观测量联系起来，建立了左右对称超对称模型（LRSUSY）中CP破坏相位与可观测低能现象之间的直接联系。通过数值求解域壁中的扩散方程以及一阶和二阶圈级EDM计算，本文对LRSUSY参数空间施加了严格约束，表明U(1)B−L对称性自发破缺尺度必须超过10^4.5 GeV，且SU(2)R尺度被严格限制在M²B−L/MEW以下，这是迄今对LRSUSY最严格的约束。

ABSTRACT

Low scale leptogenesis scenarios are difficult to verify due to our inability to relate the parameters involved in the early universe processes with the low energy or collider observables. Here we show that one can in principle relate the parameters giving rise to the transient $CP$ violating phase involved in leptogenesis with those that can be deduced from the observation of electric dipole moment (EDM) of the electron. We work out the details of this in the context of the left right symmetric supersymmetric model (LRSUSY) which provides a strong connection between such parameters. In particular, we show that baryon asymmetry requirements imply the scale $M_{B-L}$ of $U(1)_{B-L}$ symmetry breaking to be larger than $10^{4.5}~\mathrm{GeV}$. Moreover the scale $M_R$ of $SU(2)_R$ symmetry breaking is tightly constrained to lie in a narrow band significantly below $M_{B-L}^2 / M_{EW}$. These are the most stringent constraints on the parameter space of LRSUSY model being considered.

研究动机与目标

• 建立域壁中瞬态CP破坏相位（对重子生成至关重要）与电子EDM（低能可观测量）之间的定量联系。
• 利用重子不对称性与EDM约束，对左-右对称超对称模型（LRSUSY）的参数空间，特别是U(1)B−L与SU(2)R对称性破缺尺度进行约束。
• 通过识别可行的LRSUSY情景，解决成功生成重子不对称性与电子EDM实验限制之间的张力。
• 在LRSUSY中计算电子EDM的一阶与二阶圈级贡献，包括早期宇宙相变相关的温度修正。
• 确定满足重子生成与EDM约束的U(1)B−L对称性破缺的最小可行尺度，优于以往的约束。

提出的方法

• 通过在缓慢移动的域壁中对左手中微子的时空依赖复质量求解扩散方程，数值模拟轻子数密度的输运动力学，其中左手中微子具有空间变化的复质量。
• 利用Higgs真空期望值（vevs）空间变化的欧拉-拉格朗日方程推导域壁剖面，并在T ≈ MB−L时引入温度修正。
• 通过推广Barr-Zee机制，在一阶与二阶圈级计算电子EDM，其中最轻的双二重态Higgs为CP破坏的主要来源。
• 应用中性双二重态Higgs场的温度依赖质量矩阵，包括高温下（T = MB−L）的德拜屏蔽修正，以模拟早期宇宙条件。
• 通过要求预测的重子不对称性与观测值（相差一个数量级内）一致，且电子EDM低于ACME II实验限制（1.1×10⁻²⁹ e·cm），对(MB−L, MR)参数空间进行映射。
• 利用三线耦合参数α控制两个轻Higgs双态之间的相对相位，并从重子生成约束中确定其下限（α ≳ 0.1）。

实验结果

研究问题

• RQ1 LRSUSY模型中域壁生成的CP破坏相位是否能产生与观测一致的重子不对称性？
• RQ2 控制LRSUSY中重子生成的参数与电子EDM之间的定量关系为何？
• RQ3 在同时满足重子不对称性与EDM约束的前提下，LRSUSY中U(1)B−L与SU(2)R对称性破缺尺度的最严格约束是什么？
• RQ4 三线耦合参数α如何影响LRSUSY中重子生成的可行性与最终电子EDM的大小？
• RQ5 能否在LRSUSY中可靠地计算电子EDM的一阶与二阶圈级贡献？其约束是否强于重子不对称性条件？

主要发现

• 为满足重子不对称性约束，U(1)B−L对称性破缺尺度必须超过10^4.5 GeV，排除了较低的取值。
• SU(2)R对称性破缺尺度MR被严格限制在M²B−L/MEW以下，表明在(MB−L, MR)平面上存在一个狭窄的可行区域。
• 重子不对称性约束比电子EDM约束更严格，且(MB−L, MR)的允许区域完全包含在EDM允许区域内。
• 为实现成功的重子生成，三线耦合参数α必须满足α ≥ 0.1，这进一步限制了可行参数空间。
• 基于Barr-Zee机制的二阶圈级电子EDM计算表明，模型中的CP破坏相位导致非可忽略的EDM，但仅在特定的(MB−L, MR)组合下才低于ACME II实验限制。
• 同时满足重子不对称性与EDM实验约束的最小MB−L约为10^6.5 GeV，可行区域的上限可达10^10 GeV，具体取决于α的取值。