[论文解读] Tree level Leptogenesis from Kalb-Ramond Torsion Background

Marco de Cesare, Nick E. Mavromatos+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2014

Stochastic processes and statistical mechanics参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出了一种早期宇宙宇宙学中树图级轻子生成的新机制，该机制由弦理论引力中的卡伯-拉姆齐反对称张量场驱动，诱导处旋。背景处旋破坏了CPT和CP对称性，从而实现轻子数违反，并在仅存在一个右手中微子世代的情况下生成轻子不对称性，避免了对圈图过程或多代结构的需求。

ABSTRACT

The effect of torsion in theories of quantum gravity is known to be well described by an axion-like field which couples to matter as well as to gravitation and radiation gauge fields. In this note we consider a particular kind of torsion, arising from the Kalb-Ramond antisymmetric tensor field that appears in the gravitational multiplet of string theory. We investigate the implications for leptogenesis. It is shown that leptogenesis can occur even at tree-level and with only one generation of right-handed Majorana neutrinos, due to CP and CPT violation introduced by the background geometry.

研究动机与目标

• 探索在仅依赖于圈图修正的情况下，弦理论量子引力中的处旋场是否能生成物质-反物质不对称性。
• 研究卡伯-拉姆齐场背景是否足以在树图层级诱导CP和CPT破坏，从而实现轻子生成。
• 证明即使仅存在一个右手中微子世代，轻子生成也可发生，从而挑战传统模型中要求多代结构的假设。
• 建立一种通过轻子生成实现重子生成的机制，该机制满足萨哈罗夫的条件，并利用几何背景场。

提出的方法

• 作者将处旋建模为一种类似轴子的场，与引力和规范场耦合，其来源于弦理论引力多重态中的卡伯-拉姆齐反对称张量。
• 在卡伯-拉姆齐场背景存在的情况下，推导出有效相互作用，通过与费米子流的非平凡耦合，破坏CPT和CP对称性。
• 修改玻尔兹曼方程以包含由处旋诱导的势能项，其校正项与背景场强度 $ B_0 $ 呈线性关系，该关系由弯曲时空中的色散关系推导得出。
• 将玻尔兹曼方程中的碰撞项按 $ B_0 $ 的幂级数展开，保留一阶项以计算净轻子数生成。
• 该方法假设采用空间平坦的弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规，并对右手中微子使用化学势为零的热分布函数。
• 通过叠加螺旋态对总数密度演化进行计算，整合了由处旋背景诱导的非对称衰变速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在仅存在一个右手中微子世代的量子引力框架中，能否实现树图级轻子生成？
• RQ2 卡伯-拉姆齐场产生的处旋在多大程度上能破坏CPT和CP对称性，以生成轻子不对称性？
• RQ3 背景处旋场如何修改右手中微子数密度的玻尔兹曼方程？
• RQ4 卡伯-拉姆齐场与规范场及物质场的耦合在实现树图层级重子生成中起到何种作用？

主要发现

• 由于卡伯-拉姆齐处旋背景诱导的CP和CPT破坏，即使仅存在一个右手中微子世代，轻子生成也可在树图层级发生。
• 由处旋背景产生的有效相互作用使玻尔兹曼方程引入与 $ B_0 $ 成正比的一阶校正项，即背景场强度。
• 左右手螺旋态之间衰变速率的不对称性导致净轻子数生成，满足萨哈罗夫关于重子生成的条件。
• 该模型避免了对圈图过程或多代结构的需求，为生成观测到的重子不对称性提供了一种更简单的机制。
• 数密度演化校正项中包含一项与 $ B_0/T $ 成线性关系的项，虽然数值很小，但在时间积分后足以生成非零轻子不对称性。
• 该机制与观测到的重子子-光子比 $ Y_{\Delta B} \approx 6.1 \times 10^{-10} $ 一致，前提是处旋背景足够长寿命且与正确的作用扇区耦合。