Leptogeneza, czyli skąd się wzięła asymetria barionowa Wszechświata Krzysztof Turzyński IFT

Paradygmat obserwacje są zgodne z hipotezą gorącego wielkiego wybuchu • nukleosynteza (T1MeV) rozpowszechnienie lekkich pierwiastków • odłączenie promieniowania (T1eV) widmo mocy reliktowego promieniowania tła szczegóły obu procesów zależą od względnej gęstości barionów i fotonów

Rekombinacja p+ e–  p+ e–   380 000 lat czas

Rekombinacja czas  zaadaptowane z Hu & White,Sci.Am. 2004 położenie

W.Hu, homepage

Liczba WMAP3 • odpowiada 20 000 000 001 kwarkom na 20 000 000 000 antykwarków – mała !

Liczba WMAP3 • odpowiada 20 000 000 001 kwarkom na 20 000 000 000 antykwarków – mała ! • zbyt duża na fluktuację we wszechświecie z równą ilością materii i antymaterii

Repetytorium termodynamiczne Wszechświat gorący T >> M n  T3 Wszechświat gorący T << M n  (MT)3/2e–M/T W równowadze termodynamicznej... • T >> 1GeV – dużo barionów i antybarionów; procesy anihilacji równoważą się z procesami produkcji • T  1GeV – gęstość barionów i antybarionów zmniejsza się gwałtownie dzięki anihilacjom niezrównoważonym procesami produkcji • T  25MeV – rozrzedzenie cząstek sprawia, że anihilacje praktycznie ustają; wtedy nb/ng10–16

Pierwotna nukleosynteza 4He D 7Li graph adapted from Cyburt, 2004

Pierwotna antymateria? antyprotony anty-α graphs adapted from Stecker, 2002

Warunki Sacharowa Warunki konieczne do dynamicznego wygenerowania niezerowej liczby barionowej we wszechświecie z równą początkową ilością materii i antymaterii

Istnieją oddziaływania naruszające liczbę barionową Warunki Sacharowa 1 Istnieją oddziaływania naruszające liczbę barionową B

2 Warunki Sacharowa Oddziaływania naruszające B naruszają także C i CP B(i) -B(i) Jeśli C zachowane prawdopodobieństwa takich rozpadów są równe

Oddziaływania naruszające B nie są w równowadze termodynamicznej Warunki Sacharowa 3 Oddziaływania naruszające B nie są w równowadze termodynamicznej DB -DB W równowadze termodynamicznej prawdo-podobieństwa takich rozpadów są równe

Warunki Sacharowa Uwaga 1. Zamiast B można rozważać dowolną inną liczbę kwantową. L, B – L, B + L ... Uwaga 2. Jeżeli oddziaływania naruszające B (L...) wrócą kiedykolwiek do równowagi termodynamicznej, to wymyją całkowicie wygenerowaną asymetrię.

II. Bariogeneza elektrosłaba

CP w modelu standardowym daL ubL W+ ig2Vab daL ubL W– C daR ubR W– ig2Vab* daR ubR W– ig2Vab CP Eksperymenty z mieszaniem neutralnych mezonów potwierdzają naruszenie CP w modelu standardowym, tzn. Vab  Vab* 

Sphaleron konfiguracja pól lokalnie maksymalizująca energię Sphalerony Sphaleron konfiguracja pól lokalnie maksymalizująca energię V  DB=3 DL=3 B – L zachowane B + L naruszone przejścia między próżniami w równowadze termodyn. dla 1012GeV > T > Tew 

Elektrosłabe przejście fazowe T>>Tc T<<Tc  V T<<Tc T>>Tc V  gwałtowne tunelowanie do stanu prawdziwej próżni powolne staczanie do stanu prawdziwej próżni  

Ścianka wpuszcza chętniej do środka bąbelka kwarki niż antykwarki W pewnym miejscu wszechświata powstaje bąbelek złamanej fazy i gwałtownie się rozszerza, obejmując w końcu cały obserwowalny wszechświat Ścianka wpuszcza chętniej do środka bąbelka kwarki niż antykwarki Tu jesteśmy faza złamanej symetrii Pozostałe na zewnątrz antykwarki są niszczone w oddziaływaniach sphaleronowych faza niezłamanej symetrii

naruszenie CP w modelu standardowym jest bardzo słabe =nB/n10–20 Dlaczego to nie działa? T>>Tc T<<Tc  V dostatecznie szybkie tunelowanie wymaga m<80GeV sprzeczne z wynikami LEP daL ubL W+ ig2Vab naruszenie CP w modelu standardowym jest bardzo słabe =nB/n10–20

III. Bariogeneza Afflecka-Dine’a

Bariogeneza Afflecka-Dine’a Rozważmy jednorodne pole u niosące liczbę barionową Naruszenie liczby barionowej Naruszenie symetrii CP Równania ruchu  u(t=0)R ale generuje się część urojona  nB0 Rozpad na „zwykłe cząstki” Powstanie konfiguracji Q-ball nBJ

IV. Bariogeneza przez leptogenezę

Sphalerony B L B+L=0 B–L=const Przejścia sphaleronowe • zachowują B–L • wymywają B+L Asymetria w L zostaje przetworzona w asymetrię barionową

Masy neutrin m2sol≠0 m2atm≠0

Masy neutrin Oddziaływanie fermionu z cząstką bezspinową zmienia skrętność fermionu. L R Jeżeli fermion oddziaływa ze stałą wartością (oczekiwaną) pola skalarnego, to nabiera masy – mechanizm Higgsa w Modelu Standardowym

Masy neutrin L R R= R L dwie możliwości cząstka Diraka R – nowy stan niewystępujący w Modelu Standardowym – neutrino sterylne (nieoddziałujące z W,Z0) tylko stany występujące w Modelu Standardowym – ale naruszona liczba leptonowa (i co z tego?) cząstka Diraka cząstka Majorany

Mechanizm huśtawki

Leptogeneza Wczesny Wszechświat: N1 rozpadają się przy wskutek asymetrii CP w tych rozpadach i może powstać asymetria w L, która następnie jest zamieniana na asymetrię w B w przejściach między próżniami elektrosłabymi warunek Davidson-Ibarry WMAP  5

Generowanie asymetrii w L wymywanie generowanie wymywanie Pusty wszechświat po inflacji L  B efekty nieperturbacyjne przed złamaniem symetrii elektrosłabej

Przewidywania leptogenezy K1=(Y†Y)11v2/M1>m1 (w jednostkach 1.08meV) Di Bari, 2006

Ograniczenia na TRH mSUGRA TRH < 10(6)7-9 GeV

„ekscentryczna” forma macierzy sprzężeń Yukawy neutrin Jak zwiększyć asymetrię CP bez wymywania powstającej asymetrii leptonowej? dwa prawochiralne neutrina o zdgenerowanych masach (być może całkowicie) „ekscentryczna” forma macierzy sprzężeń Yukawy neutrin …