淺談宇宙生成論：探討Scotogenic模型中低能級的輕子生成機制、旁觀過程與基準點

核心概念

本研究指出，在Scotogenic模型中，即使輕 sterile 微中子的質量處於 TeV 能級，輕子生成機制仍可成功解釋宇宙重子不對稱性，無論 sterile 微中子的初始豐度是處於熱平衡狀態還是為零。

摘要

文獻資訊

• 作者：J. Racker
• 機構：阿根廷國家科學技術研究委員會 (CONICET) - 科爾多瓦國立大學 (UNC) 理論與實驗天文學院 (IATE)
• 出版時間：2024 年 11 月 22 日
• arXiv 識別碼：2411.15120v1 [hep-ph]

研究背景

宇宙重子不對稱性 (BAU) 是指宇宙中物質與反物質之間的不平衡現象，是現代宇宙學中的一個重要議題。輕子生成機制是一種解釋 BAU 的重要理論，其基本思想是通過重右手中微子的衰變產生輕子不對稱性，然後通過電弱 sphaleron 過程將輕子不對稱性轉化為重子不對稱性。

Scotogenic 模型

Scotogenic 模型是一種可以同時解釋微中子質量和暗物質的模型。在該模型中，除了標準模型的粒子外，還引入了一個額外的希格斯雙峰態 η 和三個單態費米子 Ni（也稱為 sterile 微中子）。模型中還存在一個離散的 Z2 對稱性，標準模型粒子在該對稱性下為偶數，而新引入的粒子則為奇數。

研究內容

本研究探討了 Scotogenic 模型中由最輕 sterile 微中子衰變產生的輕子生成機制。研究重點關注當惰性希格斯質量較大時，washout 過程可能受到的指數抑制，以及一些旁觀過程對此的關鍵作用。

主要發現

研究結果表明，即使最輕 sterile 微中子的質量處於 TeV 能級，輕子生成機制仍可成功解釋 BAU，無論 sterile 微中子的初始豐度是處於熱平衡狀態還是為零。此外，當較重 sterile 微中子的 Yukawa 耦合強度足以在當前和未來的實驗中產生可觀測的帶電輕子味破壞 (CLFV) 過程時，輕子生成機制也是可行的。

研究方法

本研究採用了一套擴展的 flavor Boltzmann 方程組，其中明確包含了一些關鍵的旁觀過程。通過數值求解這些方程組，研究人員可以追蹤輕子不對稱性的演化過程，並計算出最終的 BAU。

研究意義

本研究表明，Scotogenic 模型可以在 TeV 能級上提供一個同時解釋微中子質量、暗物質和 BAU 的可行方案。這為在未來實驗中尋找新物理提供了重要的線索。

統計資料

宇宙重子不對稱性 (BAU) 約為 8.7 × 10^-11。
最輕 sterile 微中子的質量可以低至 1.3 TeV（假設其初始豐度處於熱平衡狀態）或 2.5 TeV（假設其初始豐度為零）。
較重 sterile 微中子的 Yukawa 耦合強度可以大到足以產生可觀測的帶電輕子味破壞 (CLFV) 過程。

引述

"This has motivated many works on model building with the main purpose of increasing testability."
"Remarkably, the type I seesaw with one KeV-scale neutrino may also provide a dark matter (DM) candidate, however the correct amount of BAU and DM can only be obtained in outstandingly fine tuned regions of the parameter space."
"Here we use an extended set of flavored Boltzmann Equations (BEs), including explicitly some crucial spectator processes, to show that for sizable values of the inert Higgs mass, the parameter space compatible with DM, neutrino masses and successful leptogenesis opens up considerably."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Low-scale leptogenesis in the scotogenic model: spectator processes and benchmark points

by J. Racker 於 arxiv.org 11-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.15120.pdf

深入探究

Scotogenic 模型的預測結果如何與其他宇宙學觀測結果（例如宇宙微波背景輻射）相符？

Scotogenic 模型提出的暗物質粒子--惰性希格斯玻色子--會與宇宙微波背景輻射(CMB)產生交互作用，但其交互作用非常微弱，難以被現今的觀測技術所偵測。這是因為：

交互作用強度: 惰性希格斯玻色子主要透過弱交互作用和Yukawa交互作用與標準模型粒子發生作用，而這些交互作用在CMB形成的時期(宇宙年齡約38萬年)相對較弱。
暗物質豐度: Scotogenic 模型預測的暗物質豐度與CMB觀測結果相符，這意味著惰性希格斯玻色子與CMB光子的交互作用不會顯著影響CMB的溫度和偏振分佈。

儘管如此，Scotogenic 模型對於CMB仍有一些間接的影響：

有效自由度(Neff): 模型中額外的粒子，如惰性希格斯玻色子和sterile微中子，會貢獻於宇宙早期的有效自由度。CMB觀測可以限制Neff的數值，進而限制Scotogenic 模型的參數空間。
暗物質湮滅: 惰性希格斯玻色子在早期宇宙中可能會發生湮滅，釋放出能量並影響CMB的能量譜。然而，由於Scotogenic 模型預測的暗物質豐度較低，這種效應預計非常微弱。

總體而言，Scotogenic 模型的預測結果與CMB觀測結果相符。未來更高精度的CMB實驗，例如 Simons Observatory 和 CMB-S4，可能會對Neff做出更精確的測量，進一步檢驗Scotogenic 模型和其他暗物質模型。

是否存在其他模型可以解釋宇宙重子不對稱性，而無需引入 sterile 微中子？

除了引入 sterile 微中子的輕子生成機制外，還有其他模型可以解釋宇宙重子不對稱性，以下列舉幾種：

電弱重子生成(EW baryogenesis/leptogenesis): 這類模型利用電弱相變時期的非平衡過程產生重子不對稱性。標準模型本身的電弱重子生成機制由於CP破壞不夠強，無法產生足夠的重子不對稱性，但一些擴展的電弱模型，例如包含額外希格斯 doublet 的模型，可以解決這個問題。
** Affleck-Dine 重子生成:** 這個模型利用早期宇宙中某些標量場的動力學演化產生重子不對稱性。這些標量場帶有重子數或輕子數，它們在早期宇宙中的演化會導致重子數或輕子數的不守恆，從而產生重子不對稱性。
** GUT 重子生成:** 大統一理論(GUT)試圖在更高的能標下統一強交互作用和電弱交互作用。GUT 模型通常預測存在新的重粒子，它們的衰變可以產生重子不對稱性。

需要注意的是，這些模型也各自面臨著理論和實驗上的挑戰。例如，電弱重子生成需要新的物理機制來產生足夠的CP破壞，而Affleck-Dine 重子生成需要對早期宇宙的標量場動力學有更深入的了解。

如果在未來實驗中沒有觀測到帶電輕子味破壞 (CLFV) 過程，這對 Scotogenic 模型和其他輕子生成機制模型有何影響？

如果未來實驗中沒有觀測到帶電輕子味破壞 (CLFV) 過程，將對 Scotogenic 模型和其他輕子生成機制模型產生以下影響：

Scotogenic 模型:

參數空間受限: 模型中產生CLFV的Yukawa耦合常數將受到更嚴格的限制，特別是與較重sterile微中子相關的耦合。
低能標輕子生成機制的挑戰: 如果CLFV過程的觀測極限持續降低，Scotogenic 模型中TeV尺度的輕子生成機制將面臨更大的挑戰，因為這需要較大的Yukawa耦合才能產生足夠的重子不對稱性。
模型的其他預測: 即使CLFV過程未被觀測到，Scotogenic 模型的其他預測，例如暗物質粒子的性質，仍然可以通過其他實驗進行檢驗。

其他輕子生成機制模型:

高能標模型的影響較小: 對於高能標輕子生成機制模型，例如傳統的 seesaw 機制，CLFV過程的觀測極限對其參數空間的限制較小。
低能標模型的挑戰: 與 Scotogenic 模型類似，其他低能標輕子生成機制模型，例如利用輕量級 sterile 微中子的模型，也將面臨更大的挑戰，因為它們通常需要較大的Yukawa耦合才能產生足夠的重子不對稱性。

總之，未來的CLFV實驗結果將對輕子生成機制模型，特別是低能標模型，產生重要的影響。如果沒有觀測到CLFV過程，將需要對這些模型進行更精細的調整，或者尋找新的機制來解釋宇宙重子不對稱性。