[论文解读] Minimal Theory for Lepto-Baryons and Cosmological Implications

Sebastian Ohmer, Hiren H. Patel|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 14被引用 8

一句话总结

本文提出了一种最小的无异常规范理论，其中局域重子数和轻子数对称性自发性地自发性地破缺，预测了轻子-重子作为暗物质候选者。该理论推导出一种新的sphaleron条件，将化学势联系起来，将观测到的重子不对称性与早期宇宙中生成的B−L不对称性联系起来，且暗物质的稳定性自然地源于对称性破缺模式。

ABSTRACT

Particle and Astro-Particle Physics DivisionMax-Planck Institute for Nuclear Physics(MPIK)Saupfercheckweg 1, 69117 Heidelberg, Germany(Dated: April 1, 2014)We investigate the simplest models where baryon and lepton numbers are defined as local symme-tries spontaneously broken at the low scale and discuss the implications for cosmology. We definethe simplest anomaly-freetheory for spontaneousbaryonand lepton numberviolationwhich predictsthe existence of lepto-baryons. In this context we study thenew sphaleron condition on the chemicalpotentials and show the relation between the present baryon asymmetry and the B− Lasymmetrygenerated in the early universe. The properties of the cold dark matter candidate for which stabilityis a natural consequence from symmetry breaking are briefly d iscussed.I. INTRODUCTION

研究动机与目标

• 构建最简单的无异常理论，其中重子数和轻子数为局域规范对称性，并在低能下自发破缺。
• 探讨此类模型的宇宙学影响，特别是重子不对称性的生成。
• 由于对称性破缺带来的内在稳定性，将轻子-重子识别为自然的冷暗物质候选者。
• 推导出一个新sphaleron条件，将重子和轻子数密度的化学势联系起来。
• 阐明观测到的重子不对称性与早期宇宙中原始B−L不对称性之间的联系。

提出的方法

• 构建一个包含局域U(1)_B和U(1)_L对称性的最小规范理论，通过希格斯机制在低能下实现破缺。
• 通过适当的超荷赋值和费米子内容（包括右手中微子）确保无异常。
• 应用sphaleron跃迁形式化方法，推导出热平衡状态下化学势的新条件。
• 利用sphaleron条件将B−L不对称性与观测到的重子不对称性联系起来。
• 通过全局量子数和对称性保护分析轻子-重子作为暗物质候选者的稳定性。
• 推导出当前重子不对称性与电弱相变期间生成的B−L不对称性之间的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低能下实现局域重子数和轻子数对称性自发破缺的最小无异常理论是什么？
• RQ2 sphaleron过程如何约束热平衡状态下重子和轻子数密度的化学势？
• RQ3 在该模型中，观测到的重子不对称性与原始B−L不对称性之间的精确关系是什么？
• RQ4 在此框架下，轻子-重子如何作为稳定的暗物质候选者出现？
• RQ5 这种低能尺度B和L对称性破缺情景的宇宙学影响是什么？

主要发现

• 该模型构建了一个最小的无异常理论，其中局域U(1)_B和U(1)_L对称性自发破缺，预测了轻子-重子作为新粒子的存在。
• 推导出一个新的sphaleron条件，将热平衡状态下重子和轻子数密度的化学势联系起来。
• 证明了观测到的重子不对称性与早期宇宙中生成的原始B−L不对称性直接相关。
• 由于自发对称性破缺产生的保守量子数，轻子-重子作为稳定的冷暗物质候选者自然出现。
• 暗物质候选者的稳定性是基础规范对称性的自然结果，无需额外的特殊对称性。