[论文解读] Gravi-Leptogenesis: Leptogenesis from Gravity Waves in Pseudo-scalar Driven Inflation Models

Stephon Alexander, Michael E. Peskin+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2007

Cosmology and Gravitation Theories被引用 9

一句话总结

本文提出引力轻子生成机制，即在伪标量驱动的暴胀期间，通过引力轴向异常，引力波导致轻子数不对称。该异常由双折射度规扰动引发，产生与 $ R\tilde{R} $ 成正比的轻子数流，从而在 $ \mu \sim 10^{12} \text{GeV} $ 时生成与 WMAP 观测一致的现实宇宙重子不对称性 $ n_B/n_\gamma \sim 3.2 (\mu/M_{\text{Pl}})^4 $。

ABSTRACT

In this talk we present a mechanism for leptogenesis which is based on gravity waves produced during inflation. We show that when inflation is driven by a pseudo-scalar field the metric perturbations generated during inflation can become birefringent, therefore giving a non-vanishing contribution to the gravitational triangle anomaly and sourcing lepton anti-lepton asymmetry. As this asymmetry is sourced by the fields which are active during inflation, it is not washed out or diluted by inflation. The amount of matter asymmetry generated in our model can be of realistic size for the parameters within the range of some inflationary scenarios and grand unified theories. This talk is based on Ref.[1] which has appeared on the arXiv as hep-th/0403069.

研究动机与目标

• 解释宇宙中观测到的重子不对称性，而不依赖于标准轻子生成机制。
• 探讨暴胀期间产生的引力波是否可通过引力轴向异常源头发射轻子数破坏。
• 证明由此产生的不对称性在暴胀后过程下保持稳定且不被稀释。
• 识别出能产生观测到的 $ n_B/n_\gamma \sim 10^{-10} $ 的暴胀与大统一尺度物理中的可行参数范围。

提出的方法

• 该机制依赖于引力轴向异常 $ \partial_\mu J^\mu_\ell = \frac{N}{16\pi^2} R\tilde{R} $，其中 $ R\tilde{R} $ 为庞特里亚金密度。
• 由伪标量场驱动的暴胀诱导出双折射度规扰动，导致真空中 $ \langle R\tilde{R} \rangle $ 非零。
• 由引力波激发的 $ R\tilde{R} $ 的真空期望值在暴胀期间产生净轻子数流。
• 通过相关函数 $ \langle R\tilde{R} \rangle \sim H^4 $ 计算轻子不对称性，其中 $ H $ 为暴胀期间的哈勃标度。
• 由此得到的 $ n_B/n_\gamma \propto (\mu/M_{\text{Pl}})^4 $，其中 $ \mu $ 为轻子数破坏的能量标度。
• 通过将 B-场对偶化为伪标量暴胀场，将该模型嵌入弦理论，得到 $ \mathcal{N} \propto M_{\text{Pl}}^2 \alpha' / g_s $。

实验结果

研究问题

• RQ1 暴胀期间的引力波是否可通过引力轴向异常生成轻子不对称性？
• RQ2 该不对称性是否能幸免于暴胀后的稀释或消去过程？
• RQ3 该模型能否产生与观测到的 $ n_B/n_\gamma \sim 6.5 \times 10^{-10} $ 一致的重子不对称性？
• RQ4 该不对称性对截断标度 $ \mu $ 和暴胀标度 $ H $ 的依赖关系如何？
• RQ5 该机制如何在如弦理论等紫外完备框架中实现？

主要发现

• 该模型通过引力轴向异常 $ \partial_\mu J^\mu_\ell = \frac{N}{16\pi^2} R\tilde{R} $ 产生轻子不对称性，其源头发射自暴胀期间的引力波。
• 暴胀时空中 $ R\tilde{R} $ 的真空期望值产生净轻子数流，导致 $ \langle J^\mu_\ell \rangle \propto H^4 $。
• 由此产生的重子不对称性为 $ n_B/n_\gamma \simeq 3.2 \, (\mu/M_{\text{Pl}})^4 $，当 $ \mu \sim 10^{12} \text{GeV} $ 时与观测值一致。
• 该不对称性稳定且不被萨拉姆子或热过程消除，因其在非平衡态的暴胀期间生成。
• 该模型可通过将 B-场对偶化为伪标量暴胀场在弦理论中实现，其中 $ \mathcal{N} = 8\pi^2 (M_{\text{Pl}}/M_{10})^2 / \sqrt{g_s} $。
• 不对称性对 $ (\mu/H)^4 $ 的依赖关系与真空能量的截断依赖性相似，暗示其与量子引力存在深层联系。