[论文解读] Lepton Flavour Effects and Resonant Leptogenesis

Thomas Underwood|ArXiv.org|May 22, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文提出了一种在电弱尺度（250 GeV）下的共振轻子生成最小模型，其中重Majorana中微子与带电轻子之间的大Yukawa耦合通过味依赖的CP破坏实现了成功的重子不对称性生成。关键结果是，轻子味效应使得CP不对称性实现共振增强，从而在大$K$-因子下实现热轻子生成，并预测了$\mu\to e\gamma$、$\mu\to eee$和$\mu\to e$转换实验中的可观测信号。

ABSTRACT

Minimal models exist in which thermal, resonant leptogenesis occurs at the electroweak scale. The effects of individual lepton flavours play a crucial role and allow successful leptogenesis with large couplings between some of the charged leptons and the heavy Majorana neutrinos. This leads to potentially observable signals for low energy experiments (such as MEG, MECO and PRIME) and future linear colliders.

研究动机与目标

• 探索通过重Majorana中微子衰变中的共振CP破坏在电弱尺度实现热轻子生成的可行性。
• 研究单个轻子味不对称性如何影响宇宙重子不对称性的生成与保持。
• 在具有共振轻子生成的模型中，识别轻子味违反的可观测信号，如$\mu\to e\gamma$、$\mu\to eee$和$\mu\to e$转换。
• 证明通过味特异性$K$-因子，大Yukawa耦合与小洗脱效应可共存，从而避免因 gravitino 过多产生带来的约束。

提出的方法

• 该研究采用标准模型的最小扩展，包含三个右手中微子和对角的带电轻子Yukawa耦合。
• 使用Boltzmann方程形式化方法追踪单个轻子味不对称性和重子不对称性的动力学演化，包括sphaleron过程。
• CP不对称性通过自能（\varepsilon-type）贡献计算，当重中微子之间的质量分裂与衰变宽度相当时，该贡献会实现共振增强。
• 该模型采用参数化方式，使中微子Yukawa耦合范围与带电轻子耦合相当，并引入微小的U(1)轻子数破坏项以稳定轻中微子质量。
• 使用近似公式$\eta_B \sim -10^{-2} \sum_{l,i} e^{-(m_{N_i}-m_{N_1})/m_{N_1}} \delta^{l}_{N_i} \frac{K^{l}_{N_i}}{K_l K_{N_i}}$计算重子不对称性，该公式考虑了味依赖的洗脱效应。
• 使用LeptoGen代码进行数值求解，通过求解包含多种初始条件的耦合Boltzmann方程，确认最终不对称性对初始丰度不敏感。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于味效应，能否在电弱尺度下通过大Yukawa耦合实现共振轻子生成？
• RQ2 单个轻子味不对称性如何影响最终的重子不对称性和洗脱抑制？
• RQ3 在具有共振轻子生成和大Yukawa耦合的模型中，轻子味违反的可观测信号是什么？
• RQ4 由于共振增强和味特异性$K$-因子，重子不对称性是否可独立于初始条件生成？
• RQ5 对MEG、MECO、PRIME和直线对撞机等未来实验有何启示？

主要发现

• 在$ m_N = 250 $ GeV 的模型中，成功生成了$\eta_B \sim 6 \times 10^{-10}$ 的重子不对称性，与观测结果一致。
• 由于共振增强和味特异性$K$-因子，最终的重子不对称性几乎与初始条件无关，包括初始轻子和重子不对称性以及重中微子丰度。
• $\mu\to e\gamma$的分支比预测为$B(\mu\to e\gamma) \simeq 10^{-12}$，处于MEG实验的探测范围内。
• $\mu\to eee$的分支比约为$1.4 \times 10^{-14}$，而$^{48}_{22}{\rm Ti}$中$\mu\to e$转换的分支比约为$4.5 \times 10^{-13}$，两者均可由MECO和PRIME实验探测。
• 该模型预测$N_{1,2}$可在未来的$e^+e^-$或$\mu^+\mu^-$直线对撞机上产生，且在$\sqrt{s} = 0.5$ TeV下对$|a|v/m_N \sim 0.7 \times 10^{-2}$具有探测灵敏度。
• 在$0\nu\beta\beta$衰变中的有效Majorana质量为$|\langle m \rangle| \simeq 0.013$ eV，接近未来实验的探测灵敏度阈值。