[论文解读] Flux-Induced Baryon Asymmetry

Luis E. Ibáñez|ArXiv.org|Feb 27, 2006

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 19被引用 3

一句话总结

本文提出了一种新颖机制，通过在具有规范性 $ U(1)_{B-L} $ 对称性的宇宙中，利用反称张量场的恒定背景通量 $ H_{ u ho} $ 生成原初重子不对称性。该通量通过 $ U(1)_{B-L} $ 规范玻色子的斯图克尔贝格型质量生成机制，诱导出净的 $ B-L $ 电荷密度，从而在无需满足萨赫罗夫条件中的任何一项的情况下产生重子不对称性。

ABSTRACT

I propose that the primordial baryon asymmetry of the universe was induced by the presence of a non-vanishing antisymmetric field background H_ijk across the three space dimensions. This background creates a dilute (B-L)-number density in the universe cancelling the contribution from baryons and leptons. This situation naturally appears if the U(1)_{B-L} symmetry is gauged and the corresponding gauge boson gets a Stuckelberg mass by combining with an antisymmetric field B_ij. All these ingredients are present in D-brane models of particle physics. None of the Sakharov conditions are required.

研究动机与目标

• 解决标准萨赫罗夫框架下原初 $ n_B/n_\gamma \sim 10^{-10} $ 重子不对称性的不自然性。
• 提出一种机制，无需依赖重子数破坏、CP破坏或热非平衡，即可生成原初重子不对称性。
• 表明非零的 $ H_{\mu\nu\rho} $ 背景可在保持真空量子数不变的前提下，诱导出 $ B-L $ 电荷密度。
• 将该机制与弦论紧化联系起来，特别是具有斯图克尔贝格质量与通量的 D-膜模型。
• 探讨重子不对称性与暗物质可能通过超对称性破缺尺度的共同起源而相关联的可能性。

提出的方法

• 在三维空间中引入恒定背景通量 $ H_{\mu\nu\rho} $，通过 $ B \wedge F $ 相互作用与 $ U(1)_{B-L} $ 规范场耦合。
• 利用斯图克尔贝格机制，其中 $ U(1)_{B-L} $ 规范玻色子通过与反称张量场 $ B_{\mu\nu} $ 混合而获得质量，同时保持全局 $ U(1)_{B-L} $ 对称性。
• 推导出诱导的 $ B-L $ 电荷密度与通量 $ H_{\mu\nu\rho} $ 成正比，密度表达式为 $ n_{B-L} \propto H_{\mu\nu\rho} $。
• 通过涉及 $ B \wedge F $ 和 $ \eta \wedge F \wedge F $ 耦合的广义格林-施瓦茨机制确保异常自由。
• 分析热历史，假设通量在再加热时生成，并通过 $ n_{B-L} \sim M H / T^{*3} $ 估算出相应的 $ n_B/n_\gamma $。
• 探讨通量 $ H $ 是否可能通过弦紧化中的模稳定化机制在高温下动态固定，使得 $ H \sim G \sim M_{\text{sb}} M_p $。

实验结果

研究问题

• RQ1 原初重子不对称性是否可能在不满足萨赫罗夫条件中任意一项的情况下产生？
• RQ2 在一个原本净量子数为零的真空中，如何生成非零的 $ B-L $ 不对称性？
• RQ3 恒定的 $ H_{\mu\nu\rho} $ 背景在生成 $ U(1)_{B-L} $ 电荷密度方面起什么作用？
• RQ4 通过斯图克尔贝格型 $ U(1)_{B-L} $ 模型中的通量诱导 $ B-L $ 密度，是否能自然重现观测到的 $ n_B/n_\gamma \sim 10^{-10} $？
• RQ5 在弦紧化中是否存在一种动力学机制，能自然产生实现观测不对称性所必需的通量尺度？

主要发现

• 非零的 $ H_{\mu\nu\rho} $ 背景会诱导出与通量成正比的 $ B-L $ 电荷密度，从而在无需重子数破坏或 CP 破坏的情况下产生原初重子不对称性。
• 该机制之所以有效，是因为 $ U(1)_{B-L} $ 规范玻色子通过与 $ B_{\mu\nu} $ 耦合而获得斯图克尔贝格质量，同时保持全局 $ U(1)_{B-L} $ 对称性，从而允许净电荷密度的生成。
• 估算得到的重子不对称性为 $ n_B/n_\gamma \simeq M H / T^{*3} $，当 $ M \sim 10^{16} \text{ GeV} $，$ T^* \sim 10^9 \text{ GeV} $ 时，通量 $ H \sim (300 \text{ MeV})^2 $ 即可重现观测到的 $ 10^{-10} $ 不对称性。
• 若再加热温度接近弦尺度 $ M \sim 10^{16} \text{ GeV} $，通量 $ H \sim M_{\text{sb}} M_p / M $ 可自然地产生 $ n_B/n_\gamma \sim 10^{-10} $，从而将重子不对称性与超对称性破缺尺度联系起来。
• 该机制可推广至其他 $ U(1) $ 对称性（例如隐秘 sector 的 $ U(1) $），可能生成与重子不对称性相关的暗物质粒子密度。
• 若重子不对称性与暗物质均源于相似的通量尺度和超对称性破缺软质量，则该模型可将可见物质与暗物质的起源统一起来。