[论文解读] Weak-scale implications of thermal leptogenesis in SUSY

Sacha Davidson|ArXiv.org|Apr 12, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文研究了在超对称 seesaw 模型中的热轻子生成机制，表明引力子再加热温度上限的约束将最轻的右手中微子质量限制在约 10^9 GeV，从而导致轻子味违反的可观测预测。研究发现，若通过热轻子生成机制产生重子不对称性，则大中微子混合角和非零 CHOOZ 角（θ₁₃ ~ 0.04）是被偏好的；此外，τ → ℓγ 衰变在未来的实验中可能被探测到。

ABSTRACT

Thermal leptogenesis is an attractive mechanism for generating the baryon asymmetry of the Universe. However, in supersymmetric models, the parameter space is severely restricted by the gravitino bound on the reheat temperature $T_{RH}$. Using a parametrisation of the seesaw in terms of weak-scale inputs, the low-energy footprints of thermal leptogenesis are discussed.

研究动机与目标

• 探索超对称 seesaw 模型中热轻子生成机制在低能物理中的可观测印记。
• 通过 RGE 和中微子/右手中微子质量矩阵，将高能 seesaw 参数（Yν, M）与弱能标可观测量联系起来。
• 识别由轻子生成与引力子再加热温度上限之间的相互作用所导致的可检验预测，例如轻子味违反衰变或非零 CHOOZ 角。
• 使用弱能标输入对 seesaw 进行自下而上的参数化，避免依赖 GUT 能标的纹理或理论模型。
• 确定在满足宇宙学约束的前提下，能够生成观测到的重子不对称性的参数范围。

提出的方法

• 采用基于低能可观测量的 seesaw 自下而上参数化：轻子质量（mν）、右手中微子质量（m~ν²）以及矩阵 W = VL U，该矩阵将中微子质量本征态基与 Yν 为对角化的基联系起来。
• 应用跑代方程（RGEs）将 Yukawa 耦合 Yν 和 Majorana 质量矩阵 M 与低能选择子质量及味违反过程联系起来。
• 使用公式 YB ∝ (M₁ / 10⁹ GeV) × (Γ / 3×10⁻⁴) × δ，将重子不对称性（YB）表示为 M₁、Γ 和 CP 不对称性 δ 的函数。
• 施加引力子约束 T_RH ≤ 10⁹–10¹² GeV，该约束限制了 M₁ ≤ T_RH，从而迫使 M₁ ≈ 10⁹ GeV 以产生足够的不对称性。
• 分析矩阵 W，将 Yν 的结构与可观测的轻子味违反联系起来，特别是 τ → μγ 和 τ → eγ 的分支比。
• 使用等高线图映射参数空间（W₁₃ 和 V_L12 + V_L13）中 YB > 2×10⁻¹¹ 的区域，对应 M₁ = f×10⁹ GeV（f = 1,3,6,9）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在引力子再加热温度上限的约束下，热轻子生成在超对称 seesaw 模型中的低能信号是什么？
• RQ2 在热轻子生成的背景下，中微子混合角与 CHOOZ 角 θ₁₃ 如何与 Yukawa 矩阵 Yν 的结构相关联？
• RQ3 如果重子不对称性源于热轻子生成，轻子味违反衰变如 τ → ℓγ 是否可能被探测到？
• RQ4 为生成观测到的重子不对称性，对最轻右手中微子质量 M₁ 的约束是什么？
• RQ5 在何种条件下，将中微子与右手中微子质量基联系起来的矩阵 W（relating neutrino and sneutrino mass bases）会导致最大 CP 不对称性与可观测的味违反？

主要发现

• 由于引力子再加热温度上限的约束，最轻右手中微子质量 M₁ 被限制在约 10⁹ GeV 的狭窄范围内，该上限要求 T_RH ≤ 10⁹ GeV。
• 为产生观测到的重子不对称性，CP 不对称性 δ 必须为 O(1)，这发生在 W ≈ I（单位矩阵）时，意味着选择子混合角与中微子混合角量级相当。
• 若 W ≈ U（MNS 矩阵），则预测非零 CHOOZ 角 θ₁₃ ~ 0.04，这对应于大中微子混合角由轻子质量矩阵对角化所导致的情形。
• τ → eγ 和 τ → μγ 的分支比被预测为可能可观测，其信号强度与选择子混合角的平方成正比。
• 等高线图显示，当 W₁₃ 和 V_L12 + V_L13 足够大时，YB > 2×10⁻¹¹（对应 M₁ = f×10⁹ GeV，f = 1,3,6,9），表明参数空间中存在可观测区域。
• 最小的 Yukawa 耦合 y₁ 在低能下实际上不可测量，因其通过 RGE 对选择子质量的影响可忽略不计，但其值由 M₁ 和 W 固定，以满足重子不对称性条件。