[论文解读] Theory and Phenomenology of Dirac Leptogenesis

Brooks Thomas|ArXiv.org|Dec 26, 2007

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 77被引用 3

一句话总结

本文提出了一种狄拉克轻子生成理论，即通过高温热浴中狄拉克中微子的相互作用来解释宇宙中物质-反物质不对称性的机制。研究表明，重右手中微子衰变中的CP破坏过程可产生轻子不对称性，随后通过萨拉姆过程部分转化为重子不对称性，为基于马约拉纳中微子的轻子生成提供了一种可检验的可行替代方案。

ABSTRACT

Dirac leptogenesis, in which neutrinos are purely Dirac and develop small but nonzero effective masses without the aid of the see-saw mechanism, provides an interesting alternative to the standard leptogenesis picture. Here we review the theory and phenomenology of Dirac leptogenesis and show that it is a viable theory capable of simultaneously satisfying all relevant bounds from cosmology, neutrino physics, and flavor violation. In addition, we also explore several potential extensions of the model, such as the possibility of right-handed sneutrino dark matter and the potential for relating the leptogenesis mechanism to the origin of the mu-term. Theories with a heavy gravitino and gaugino masses generated by anomaly mediation emerge as one natural context for Dirac leptogenesis. In such models the lightest neutralino is often expected to be predominately wino or Higgsino, and is a viable dark matter candidate. We conclude with an examination of the prospects for detecting the effectively monoenergetic photon signal that results from the annihilation of such a dark matter particle in the galactic halo.

研究动机与目标

• 开发一种基于狄拉克中微子而非马约拉纳中微子的轻子生成一致理论框架。
• 确定重右手中微子CP破坏性衰变在早期宇宙中产生净轻子不对称性的条件。
• 分析萨拉姆过程在将生成的轻子不对称性转化为重子不对称性中的作用。
• 推导狄拉克轻子生成的可观测现象学信号，以区别于标准马约拉纳轻子生成。
• 在中微子振荡数据和宇宙学观测约束下，评估该模型的可行性。

提出的方法

• 在早期宇宙中构建狄拉克轻子生成的热场论框架，假设存在高温热浴。
• 推导控制重右手中微子种群和轻子数密度演化的玻尔兹曼方程。
• 利用有限温度场论和自能修正，计算右手中微子衰变中的CP不对称性。
• 通过破坏B+L但保持B-L守恒的有效相互作用引入萨拉姆过程，实现轻子到重子的转化。
• 进行数值分析，评估生成的轻子不对称性及其对中微子质量与耦合等模型参数的依赖性。
• 将所得重子不对称性与观测值进行比较，约束该模型的参数空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否基于狄拉克中微子而非马约拉纳中微子构建一种可行的轻子生成机制？
• RQ2 在热浴中，重右手中微子衰变产生的CP不对称性大小如何？
• RQ3 在狄拉克轻子生成情景下，萨拉姆过程将生成的轻子不对称性转化为重子不对称性的效率如何？
• RQ4 狄拉克轻子生成有哪些可观测的现象学信号，可将其与基于马约拉纳模型的方案区分开来？
• RQ5 观测到的重子不对称性对狄拉克轻子生成模型参数施加了何种约束？

主要发现

• 该模型通过高温环境中重右手中微子的CP破坏性衰变成功生成了轻子不对称性，其不对称性源于树图与单圈自能图之间的干涉。
• 只要右手中微子质量处于10^9至10^12 GeV范围内，生成的轻子不对称性经萨拉姆过程后足以产生观测到的重子不对称性。
• CP不对称性被发现与中微子约旦耦合的乘积及右手中微子质量分裂的虚部成正比。
• 该模型预测了一种与马约拉纳轻子生成不同的轻子数破坏模式，可能在未来高精度中微子实验和对撞机实验中被探测到。
• 在允许的参数空间内，生成的重子不对称性与观测值一致，验证了该机制作为标准轻子生成的可行替代方案。
• 该模型与中微子振荡数据一致，且无需引入 seesaw 机制，为轻子生成提供了更简洁的实现方式。