[论文解读] Spontaneous Baryogenesis from Axions with Generic Couplings

Valerie Domcke, Yohei Ema+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 46被引用 4

一句话总结

本文表明，轴子样态粒子可通过自发重子不对称性机制，即使仅通过最小耦合（如与胶子耦合）也能普遍生成宇宙的重子不对称性，前提是轴子具有非零速度，且存在重子数破坏过程（如 sphaleron 或 Weinberg 算符）。作者建立了一个通用的输运形式化方法，可处理任意耦合，表明最终的不对称性由代数方程或微分方程决定，具体取决于相关算符的效率，并展示了如何自动处理场重新定义和冗余性问题，而不会引入错误。

ABSTRACT

Axion-like particles can source the baryon asymmetry of our Universe through spontaneous baryogenesis. Here we clarify that this is a generic outcome for essentially any coupling of an axion-like particle to the Standard Model, requiring only a non-zero velocity of the classical axion field while baryon or lepton number violating interactions are present in thermal bath. In particular, coupling the axions only to gluons is sufficient to generate a baryon asymmetry in the presence of electroweak sphalerons or the Weinberg operator. Deriving the transport equation for an arbitrary set of couplings of the axion-like particle, we provide a general framework in which these results can be obtained immediately. If all the operators involved are efficient, it suffices to solve an algebraic equation to obtain the final asymmetries. Otherwise one needs to solve a simple set of differential equations. This formalism clarifies some theoretical subtleties such as redundancies in the axion coupling to the Standard Model particles associated with a field rotation. We demonstrate how our formalism automatically evades potential pitfalls in the calculation of the final baryon asymmetry.

研究动机与目标

• 建立轴子诱导的自发重子不对称性在所有标准模型耦合下均为普遍现象。
• 解决轴子介导的重子不对称性模型中因场重新定义和冗余耦合引起的理论模糊性。
• 开发一种通用的、基无关的形式化方法，用于从轴子与标准模型场的任意耦合中计算重子不对称性。
• 阐明最终重子不对称性守恒的条件，及其如何依赖于轴子动力学和标准模型过程。

提出的方法

• 推导出在具有非零速度的经典轴子场存在下，电流算符期望值的输运方程。
• 在输运方程中引入由轴子时间导数产生的源项，该源项作为有效化学势起作用。
• 利用线性响应理论和滞后相关函数，计算热平衡下轴子诱导的偏差。
• 通过荷向量分类耦合，并利用基分解和正交投影识别冗余参数化。
• 推导出轴子动力学后向作用可忽略的条件，以确保有效理论的一致性。
• 通过代数方法（对高效算符）或微分方程（对低效算符）求解输运方程，实现定量预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 当轴子样态粒子仅与胶子耦合而不直接与重子数破坏相互作用耦合时，是否仍能生成重子不对称性？
• RQ2 该形式化方法如何处理由于场重新定义导致的轴子耦合冗余性？为何这些冗余性不影响最终的不对称性？
• RQ3 在存在标准模型 sphaleron 或 Weinberg 算符的情况下，轴子速度在何种条件下会诱导非零重子不对称性？
• RQ4 决定最终重子不对称性是通过求解代数方程还是微分方程组的条件是什么？
• RQ5 最终不对称性如何依赖于轴子模型参数（如轴子衰变常数和耦合强度）？

主要发现

• 只要轴子具有非零速度且存在重子/轻子数破坏过程，轴子样态粒子与标准模型的任意耦合均可引发普遍的自发重子不对称性。
• 仅通过 SU(3) 西蒙斯-陈算符与胶子耦合的轴子，即可在电弱 sphaleron 存在下生成重子不对称性。
• 在重子数破坏过程冻结后，最终的重子不对称性保持守恒，其数值由包含轴子诱导源项的输运方程的平衡解决定。
• 该形式化方法通过荷向量的正交分解自动处理场重新定义的模糊性，识别并消除了冗余耦合。
• 当所有算符均高效时，最终不对称性通过求解单个代数方程获得；否则需求解微分方程组。
• 推导出轴子后向作用可忽略的条件，并证明其等价于源荷向量相对于活跃电流基的特定正交性条件。