[论文解读] Leptogenesis at Low Scale

Lotfi Boubekeur|ArXiv.org|Aug 1, 2002

Fractal and DNA sequence analysis参考文献 1被引用 14

一句话总结

本文提出通过热产生的右手中微子（RHN）实现低规模轻子生成，其质量为TeV量级，以解决引力介子过量限制与热RHN产生所需高再热温度之间的矛盾。研究表明，即使在低至10^9 GeV的再热温度下，只要规范耦合被抑制，且通过A项或RHN简并增强CP破坏，Fukugita-Yanagida衰变机制与Affleck-Dine平坦方向轻子生成均可生成观测到的重子不对称性。

ABSTRACT

A typical problem of the leptogenesis scenario is the mismatch between the maximum reheat temperature implied by gravitino overproduction bound and the minimum temperature required to create thermally the lightest right-handed neutrino. We explore the possibility of baryogenesis via leptogenesis in the presence of low scale mass right-handed neutrino. In such a scenario, right-handed neutrinos are created thermally at low reheat temperatures without relying on non-perturbative production mechanisms. We focus on two specific realizations of the scenario, namely the out-of-equilibrium decay of right-handed neutrinos (Fukugita-Yanagida) and the leptogenesis via the $LH_u$ flat direction (Affleck-Dine). We find that in general, the two scenarios are able to produce the required baryon excess for a reasonable amount of CP violation.

研究动机与目标

• 为解决引力介子过量限制（将再热温度限制在~10^6–10^9 GeV）与热产生重夸克右手中微子（RHN）所需的高再热温度（~10^10 GeV）之间的矛盾。
• 探究当RHN质量较低（TeV量级）时，是否可通过轻子生成实现成功的重子生成，避免依赖非微扰或非热产生机制。
• 在低规模见标模型框架下，探讨两种不同的轻子生成机制——右手中微子的非平衡衰变（Fukugita-Yanagida）与Affleck-Dine平坦方向衰变。
• 确定在低再热温度情景下，是否能生成足够CP破坏以产生观测到的重子数密度与熵之比 $Y_B \approx 7.2 \times 10^{-11}$。

提出的方法

• 构建一个低规模见标模型，其中RHN质量处于TeV范围，导致规范耦合被抑制，从而自然满足轻子生成所需的非平衡条件。
• 使用标准Fukugita-Yanagida机制分析RHN的非平衡衰变，推导出以CP破坏参数和RHN衰变速率为变量的轻子不对称性。
• 考虑Affleck-Dine机制，通过运动方程 $\dot{n}_L + 3Hn_L = \text{Im}[\varphi \partial V/\partial \varphi]$ 建模携带轻子数的标量凝聚的演化，当 $H \sim m_{3/2}$ 时触发振荡。
• 将热修正纳入凝聚动力学，并在低规模见标极限下推导出最终的轻子不对称性为 $n_L/s \approx \frac{1}{12} (T_{\text{RH}}/H_{\text{osc}}) \delta_{\text{eff}}$。
• 利用引力介导的SUSY破缺，将软A项建模为 $a_m \sim \lambda m_{3/2}$，即使在有效参数较小时也能实现CP破坏。
• 通过萨普勒过程评估生成的重子不对称性，要求 $n_L/s \sim 10^{-10}$ 以匹配观测到的 $Y_B$。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在再热温度低于10^10 GeV的条件下实现成功的轻子生成，从而避免引力介子过量问题？
• RQ2 在规范耦合被抑制的低规模见标模型中，如何生成足够的CP破坏？
• RQ3 当RHN质量较轻且再热温度较低时，Affleck-Dine平坦方向机制能否产生所需的重子不对称性？
• RQ4 软SUSY A项在低规模轻子生成中增强CP破坏的作用是什么？
• RQ5 是否可能通过TeV量级RHN的热产生，在不依赖非微扰或非热机制的前提下生成观测到的重子不对称性？

主要发现

• 只要通过RHN简并或A项贡献实现有效CP破坏参数 $\delta_{\text{eff}} \sim 10^{-9} - 10^{-10}$，TeV量级右手中微子的非平衡衰变即可生成所需的重子不对称性 $Y_B \approx 7.2 \times 10^{-11}$。
• 在低规模见标模型中，软A项增强了有效CP破坏参数 $\delta_{\text{eff}}$，使得即使在 $T_{\text{RH}} \sim 10^9$ GeV 时，也能实现 $n_L/s \sim 10^{-10}$。
• 对于Affleck-Dine机制，轻子不对称性为 $n_L/s \approx \frac{1}{12} (T_{\text{RH}}/H_{\text{osc}}) \delta_{\text{eff}}$，当 $H_{\text{osc}} \sim m_{3/2}$ 且 $T_{\text{RH}} \sim 10^9$ GeV 时，通过 $\delta_{\text{eff}} \sim O(1)$ 即可实现观测到的不对称性。
• 该模型在BBN和暗物质约束下保持一致，因为在低 $T_{\text{RH}}$ 下避免了引力介子过量，且RHN可稳定或衰变而不破坏核合成。
• 在该框架下，$T_{\text{RH}} \sim 10^9$ GeV 的RHN热产生是可行的，避免了对非微扰或非热产生机制的依赖。
• 低规模见标模型中规范耦合的抑制自然满足非平衡条件，这是成功轻子生成的关键。