[论文解读] Leptogenesis and Low Energy CP Violation

G.C. Branco, Takuya Morozumi+2 more|ArXiv.org|Apr 16, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文研究了驱动轻子生成的CP破坏是否可与中微子振荡中可观测到的低能CP破坏相联系。在包含三代的最小 seesaw 模型中，识别出用于轻子生成与低能现象的CP破坏相位，表明虽然一般情况下二者无直接关联，但在具有约束性味对称性或GUT启发结构（例如，$ m = dU_R $）的特定模型中，重子不对称性的符号与大小可与低能CP破坏直接关联。

ABSTRACT

We discuss the possibility of relating the size and sign of the observed baryon asymmetry of the universe to CP violation observable at low energies, in a framework where the observed baryon asymmetry is produced by leptogenesis through out of equilibrium decay of heavy Majorana neutrinos. We have shown that although in general such a connection cannot be established, there are specific frameworks where a link does exist. Furthermore, we identify the CP violating phases relevant to leptogenesis and those relevant for low energy CP violation and build weak basis invariant conditions for CP conservation.

研究动机与目标

• 确定通过轻子生成机制产生宇宙重子不对称性的CP破坏是否可与中微子振荡中可观测到的低能CP破坏相联系。
• 识别出与轻子生成相关的特定CP破坏相位，以及影响低能可观测量（如中微子振荡参数）的相位。
• 检验弱基不变量是否能区分最小seesaw模型中的CP守恒与CP破坏情形。
• 探索特殊理论框架（如味对称模型或GUT启发结构）中，低能CP破坏与轻子生成之间是否存在直接联系。

提出的方法

• 分析包含三代的最小seesaw模型，其中右手中微子被加入标准模型，通过seesaw机制生成小中微子质量。
• 识别中微子狄拉克质量矩阵 $ m $ 中的CP破坏相位，区分影响轻子生成的相位（相位 $ \sigma, \beta_1, \beta_2 $）与影响低能可观测量的相位（如中微子振荡中的 $ \delta $）。
• 使用弱基不变量，特别是 $ \text{Tr}[h_{\text{ef}}, h_l]^3 $，量化中微子振荡中的低能CP破坏。
• 通过一阶圈修正的自能与顶点修正推导轻子生成不对称性 $ \varepsilon_j $，表明其仅依赖于 $ \sigma, \beta_1, \beta_2 $。
• 在弱基中采用参数化 $ m = dU_R $，其中 $ m_l $ 与 $ M_R $ 均为对角且实数，实现对相位约束的解析研究。
• 在特定对称性约束下，评估重子不对称性 $ n_B/s \sim 10^{-10} $ 的符号与大小与中微子振荡中CP破坏强度之间的关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在轻子生成框架下，观测到的重子不对称性的大小与符号是否可与中微子振荡中的低能CP破坏相联系？
• RQ2 在seesaw模型中，哪些CP破坏相位负责轻子生成，哪些影响低能可观测量？
• RQ3 在何种理论条件下，轻子生成与低能CP破坏之间可建立直接联系？
• RQ4 味对称性或GUT启发结构（如 $ m = dU_R $）如何影响高能与低能CP破坏之间的关系？
• RQ5 弱基不变量是否可用于区分最小seesaw模型中的CP守恒与CP破坏情形？

主要发现

• 在一般最小seesaw模型中，由于涉及的CP破坏相位集合不同，驱动轻子生成的CP破坏与低能CP破坏之间不存在直接联系。
• 轻子生成仅依赖于相位 $ \sigma, \beta_1, \beta_2 $，这些是马约拉纳类型相位，可从物理中微子质量中旋转消除。
• 中微子振荡中的低能CP破坏由有效相位 $ \delta $ 控制，其依赖于全部六个相位 $ \rho, \alpha_1, \alpha_2, \sigma, \beta_1, \beta_2 $，因此无法建立一般性映射。
• 只有在特殊模型中，当仅一个相位（如 $ \sigma $）非零时，例如在味对称或GUT启发情景下，观测到的重子不对称性与低能CP破坏之间才可能存在直接联系。
• 在特定情形 $ m = dU_R $ 下，其中 $ d $ 为对角矩阵且 $ U_R $ 为幺正矩阵，该联系可解析求解，并允许重子不对称性符号与中微子振荡中CP破坏强度之间的一一对应。
• 弱基不变量 $ \text{Tr}[h_{\text{ef}}, h_l]^3 $ 提供了一种与模型无关的低能CP破坏度量，确认 $ \delta $ 是中微子振荡CP破坏的相关相位。