[论文解读] Theories and Experiments for Testable Baryogenesis Mechanisms: A Snowmass White Paper

J. Barrow, L. J. Broussard+17 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Computational Physics and Python Applications被引用 9

一句话总结

本雪崩白皮书回顾了四种可检验的重子生成机制——事后的 sphaleron 重子生成、电弱重子生成、介子生成以及低能标轻子生成，强调了其理论基础与实验探测。它指出中子-反中子振荡、电偶极矩、$0 u\beta\beta$ 衰变、对撞机信号、引力波以及未来的中子设施是检验这些模型的关键路径，核心贡献在于建立了一条将特定实验灵敏度与每种重子生成范式可行性相联系的路线图。

ABSTRACT

The baryon asymmetry of the Universe is one of the central motivations to expect physics beyond the Standard Model. In this Snowmass white paper, we review the challenges and opportunities in testing some of the central paradigms that predict physics at scales low enough to expect new experimental data in the next decade. Focusing on theoretical ideas and some of their experimental implications, in particular, we discuss neutron-antineutron transformations, flavor observables, next generation colliders, future neutron facilities, gravitational waves, searches for permanent electric dipole moments, $0νββ$ decay and some future large underground experiments as methods to test post-sphaleron baryogenesis, electroweak baryogenesis, mesogenesis and low scale leptogenesis. Finally, we comment on the cases where high scale physics can be probed through some of these same mechanisms.

研究动机与目标

• 识别并评估可利用近期实验数据探测的可检验重子生成机制。
• 将重子生成的理论模型——特别是涉及 $\mathcal{B}-\mathcal{L}$ 破坏与 CP 破坏的模型——与具体的实验信号联系起来。
• 评估多个实验前沿（对撞机、中微子实验、引力波探测器、束流靶实验）在探测重子不对称性起源方面的互补性。
• 评估在 TeV 能标下观测到轻子数破坏是否可证伪高能标轻子生成模型。
• 为优先配置理论与实验资源以解决物质-反物质不对称性之谜提供路线图。

提出的方法

• 通过预测中子-反中子（$n \to \bar{n}$）振荡寿命及其在欧洲散裂中子源的 NNBAR 等未来设施中的实验探测，分析事后的 sphaleron 重子生成。
• 通过高灵敏度永久电偶极矩（EDM）搜索、CP 破坏的对撞机探测以及强一阶相变引起的引力波信号，评估电弱重子生成。
• 通过标准模型介子中的 CP 不对称性以及预测的新强子衰变模式（涉及轻子数破坏）来研究介子生成，相关搜索已在 Belle、BaBar 和 LHCb 展开。
• 通过近简并质量的重中性轻子（HNLs）在束流靶、对撞机和 $0\nu\beta\beta$ 衰变实验中的产生与衰变，研究低能标轻子生成。
• 使用有效场论与简化模型计算可观测量，如 $R_{ll} = \Gamma(\text{HNL} \to ll)/\Gamma(\text{HNL} \to \ell \ell \gamma)$ 与 $U_{\ell}^2$ 混合参数，以约束 HNLs。
• 评估对撞机中同号 dilepton 信号与 $0\nu\beta\beta$ 衰变之间的相互作用，以探测或排除通过 $B+L$ 破坏的 sphaleron 洗刷机制实现的高能标轻子生成。

实验结果

研究问题

• RQ1 中子-反中子振荡是否可在未来十年内被探测到？这将对事后的 sphaleron 重子生成意味着什么？
• RQ2 电偶极矩搜索与引力波观测在多大程度上可检验具有强 CP 破坏的电弱重子生成模型？
• RQ3 通过介子衰变中的 CP 不对称性，能否解释观测到的重子不对称性？其预测的奇异强子衰变模式是什么？
• RQ4 若在 $0\nu\beta\beta$ 衰变或对撞机中观测到轻子数破坏，是否可排除通过 sphaleron 洗刷机制实现的高能标轻子生成模型？
• RQ5 重中性轻子的混合参数与质量如何约束其在同时生成中微子质量与重子不对称性中的作用？

主要发现

• 未来十年内，中子-反中子振荡搜索的灵敏度预计提升三个数量级，欧洲散裂中子源的 NNBAR 实验目标灵敏度为 $\tau_{n \to \bar{n}} \gtrsim 10^{32}$ 年。
• 电弱重子生成仅在 CP 破坏源足够大且气泡壁速度足够慢时才成立，而一阶相变引起的引力波信号或可提供潜在探测手段。
• 介子生成预测了介子的新轻子数破坏强子衰变，相关专门搜索已在 Belle、BaBar 和 LHCb 展开，未来 K 介子与超子工厂将提供更高灵敏度。
• 若通过非标准模型机制（如重中微子交换）观测到 $0\nu\beta\beta$ 衰变，将排除标准高能标轻子生成模型，除非不对称性受到 sphaleron 洗刷的保护。
• 在 LHC 中观测到无缺失能量的同号 dilepton 信号将表明强洗刷效应，从而排除高能标轻子生成模型，并指向低能标重子生成。
• 结合 $0\nu\beta\beta$ 衰变与对撞机中轻子数破坏的探测提供了互补的探测能力：尽管 $0\nu\beta\beta$ 仅限于第一代轻子，对撞机可探测第二、三代轻子信号，从而实现全味平衡的检验。