O bariogenezie i leptogenezie Krzysztof Turzyński Instytut Fizyki Teoretycznej Wydział Fizyki UW

Paradygmat obserwacje są zgodne z hipotezą gorącego wielkiego wybuchu • nukleosynteza (T1MeV) rozpowszechnienie lekkich pierwiastków • odłączenie promieniowania (T1eV) widmo mocy reliktowego promieniowania tła BBN: im mniej barionów, tym później fotony nie są w stanie efektywnie rozbijać jąder deuteru, tym później rozpoczyna się cykl reakcji jądrowych, ale do tego czasu rozpadnie się więcej neutronów -> mniej He CMB: Im więcej barionów, tym większy potencjał grawitacyjny nakłada się na zaburzenia DM I przeciwdziała rozrzedzaniu zaburzeń w płynie barionowo-fotonowym -> niski drugi pik w CMB szczegóły obu procesów zależą od względnej gęstości barionów i fotonów

Liczba WMAP+BAO+SNe BBN after Davidson et al., 0802.2962 WMAP+BAO+SNe BBN • odpowiada 20 000 000 001 kwarkom na 20 000 000 000 antykwarków – mała ! Mozna tez wyznaczac z CMB przy zalozeniu LambdaCDM i spektrum HZ

Liczba after Davidson et al., 0802.2962 WMAP+BAO+SNe • 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

Warunki Sacharowa Warunki konieczne do dynamicznego wygenerowania niezerowej liczby barionowej we wszechświecie z równą początkową ilością materii i antymaterii 1 naruszenie B 2 naruszenie C i CP 3 naruszenie równowagi termodynamicznej

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.

I. 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

Dlaczego to nie działa (SM)? 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

SM vs asymetria barionowa Rozszerzenie SM pozwalające na generowanie asymetrii barionowej musi uwzględniać następujące składniki: 1. Nowe źródła naruszenia CP 2. Czynniki powodujące, że elektrosłabe przejście fazowe jest I rodzaju

II. 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

III. Bariogeneza przez leptogenezę

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

Masy neutrin 1. Oscylacje neutrin 2. Widmo rozpadu beta trytu 3. Kosmologia (CMB vs LSS) WMAP WMAP+BAO+SNe WMAP+BAO+Sne+HST+MegaZ after Thomas et al, 0911.5291

Masy neutrin L R Oddziaływanie fermionu z cząstką bezspinową zmienia skrętność fermionu. Oddziaływanie ze stałą wartością próżniową pola skalarnego => masa – 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

Masy neutrin L R= R NR NL= NL mechanizm huśtawki – dwie możliwości w jednej L R= R NR NL= NL N: singlet SU(2), fermion (Typ I) tryplet SU(2), skalar (Typ II) tryplet SU(2), fermion (Typ III) m= (MEW)2 / Mduża MN = Mduża

Generowanie asymetrii w L wymywanie generowanie wymywanie

Generowanie asymetrii w L Naruszenie CP

Generowanie asymetrii w L Równowaga (produkcja) > Procesy produkcji są szybkie, zatem rozkład ciężkich neutrin szybko osiąga postać równowagową. Silne wymywanie:

Generowanie asymetrii w L Brak równowagi (rozpad)

Generowanie asymetrii w L

Podsumowanie Pochodzenie asymetrii barionowej Wszechświata wciąż jest zagadką: różne opcje możliwe. Leptogeneza wydaje się opcją stosunkowo naturalną. Naruszenie CP istotne dla leptogenezy nie musi mieć nic wspólnego z ziemską fizyką neutrin.