1 PREGLED BARIOGENEZE O porijeklu asimetrije izmeu materije

1 PREGLED BARIOGENEZE: O porijeklu asimetrije između materije i antimaterije (BAU) Tomislav Prokopec (ITP & Spinoza Institute, Utrecht U. ) 5. znanstveni sastanak HFD-a, Primošten, 6. listopada 2007

IZMJERENA ASIMETRIJA IZMEĐU MATERIJE I ANTIMATERIJE omjer gustoće bariona i fotona: 2 - Posljedica sinteze nukleona u svemiru; mjerenja pozadinskog mikrovalnog zračenja (cmbr) [WMAP satelit, 2006] Barioni (protoni+neutroni): povećavaju kompresijske (neparne) maksimume intenziteta, umanjuju maksimume razrjeđenja CILJ: razumjeti dinamički nastanak barionske asimetrije svemira (BAU) UOBIČAJENA ZABLUDA: inflacija razrijedi sve barione koji su postojali prije inflacije Van der Post, Prokopec (2006) Garbrecht, Prokopec (2007)

NUKLEOSINTEZA VELIKOG PRASKA (BBN) relativna gustoća bariona 3 - sinteza nukleona u svemiru: predviđa izmjerenu količinu materije u svemiru Omjer gustoće bariona i fotona

4 UVJETI SAKHAROVA Sakharov je 1967 ustanovio kriterije za dinamičku bariogenezu: 1. Narušenje simetrije broja bariona 2. Narušenje simetrije naboja i naboja-pariteta Procesi s barionima nisu jednako brzi kao procesi s anti-barionima 3. Narušenje termičke ravnoteže Ako pretpostavimo CPT simetriju, broj čestica i antičestica mora biti jednak.

SFALERONSKI PROCESI 5 • Adler i Bell & Jackiw: kiralna anomalija standardnog modela: `velike’ baždarne transformacije narušuju leptonske i barionske struje svaki prijelaz preko barijere doda 9 kvarkova i 3 leptona

6 Elektroslaba bariogeneza Kuzmin, Rubakov, Shaposhnikov 1985

ZAŠTO JE ELEKTROSLABA BARIOGENEZA ZANIMLJIVA? 7 MODELE JE MOGUĆE TESTIRATI (na LHC-u) ◙ Nove (skalarne) čestice na LHC-u (Higgs, . . ) ◙ Novi izvori narušenja CP simetrije (EMD eksperimenti) ◙ Gravitacijski valovi s faznog prijalaza (malo vjerojatno) Da li objašnjenje postanka bariona leži na energijama ~1 Te. V dostižnim eksperimentima na LHC-u?

FAZNI PRIJELAZ PRVE VRSTE U ELEKTROSLABOJ TEORIJI 8 Efektivni potencijal Higgsovog polja : (2+ petlje) Formiranje mjehurića lomljene (Higgsove) faze

9 RAZMATRANJA U TERMIČKOJ RAVNOTEŽI Elektroslabi (fazni) prijelaz u Minimalnom Standardnom Modelu (MSM-u) Kajantie. Laine, Rummukainen, Shaposhnikov 1996 za Higgsovu masu > 72 Ge. V prijelaz nije više fazni prijelaz (crossover) Eksperimentalna (LEP) granica na Higgsovu masu > 114 Ge. V: isključuje BAU u MSM-u Carena, Quiros, Seco, Wagner, 2000; Quiros 2001 Dozvoljeni “trokut” za MSSM: slabi fazni prijelaz: T masa R-stop-a Jaki fazni prijelaz prve vrste u Minimalnom Supersimetričnom Standardnom Modelu (MSSM-u) jaki fazni prijelaz: T (ccolor) Faza slomljene jake sile ( masa Higgsa

ELEKTROSLABA BARIOGENEZA NA FAZNOM PRIJELAZU PRVE VRSTE TRANSPORT NABOJA 10 Cohen, Kaplan, Nelson 1991 difuzija: tinta u vodi Simetrična faza Higgsova faza 8 ekspandirajući mjehurići Higgsove faze 8 narušenje CP simetrije na zidovima mjehurića 8 narušenje B simetrije u simetričnoj fazi

SUPERSIMETRIJA I MSSM 11 ●svakoj čestici Standardnog Modela pridružena je čestica s drugim spinom (i statistikom): chargini & neutralini NB: za razliku od SM-a, MSSM ima 2 kompleksna Higgsova polja

SEMIKLASIČNA SILA ZA CHARGINE LAGRANGEAN: Joyce, Prokopec, Turok, 1994 Kainulainen, Prokopec, Schmidt, Weinstock 2001 Matrica masa Higgs vev-i , m 2: Parametri odgovorni za `meko‘ lomljenje supersimetrije Fs ● Prisutnost faznog fronta (bubble wall) Higgsovog kondenzata inducira oscilacije chargina (efekt prvog reda u gradijentnom razvoju: ħ ), slično oscilacijama neutrina, i semi-klasičnu silu (efekt drugog reda u gradijentima) ● semi-klasična sila: posljedica razlike u energiji između čestica i anti-čestica (s = spin = ± , m=|m|eiθ, c=1): ● semi-klasična sila u kinetičkoj teoriji: 12

13 CHARGINI SU POSREDNICI BARIOGENEZE Carena, Moreno, Quiros, Seco, Wagner (2000) Cline, Joyce, Kainulainen (2000) Konstandin, Prokopec, Schmidt, Seco (2005) ● chargini se raspadaju na kvarkove i leptone putem slabih interakcija ● Sphaleroni omogućuju proizvodnju bariona, koji onda nadiru (difundiraju) u slomljenu (Higgsovu) fazu

CHARGINI I BARIOGENEZA U MSSM-u (2) 14 Konstandin, Prokopec, Schmidt, Seco (2005) Proizvodnja bariona b=nb/s kao funkcija c & m. A-a

CHARGINI I BARIOGENEZA U MSSM-u (3) 15 Proizvodnja bariona b=nb/s kao funkcija c, tan , m. A=150 Ge. V

16 ELEKTRIČNI DIPOLNI MOMENTI U MSSM-u & MSM-u Trenutna gornja granica na električni dipolni moment elektrona (e. EDM) Regan et al, Phys. Rev. Lett. 88: 071805, 2002 Vrijednost e. EDM-a u Standardnom Modelu (MSM) (4 petlje) Pospelov, Khriplovich, Sov. J. Nucl. Phys. 53: 638 -640, 1991, Yad. Fiz. 53: 1030 -1033, 1991 Neutronski EDM u Standardnom Modelu (2 petlje: `pingvin‘) MSSM: doprinos Higgsove čestice e. EDM-u (2 petlje)

CHARGINI I BARIOGENEZA U MSSM-u (4) 17 Konstandin, Prokopec, Schmidt, Seco (2005) crna područja markiraju barionsku asimetriju chargina s maksimalnim narušenjem CP simetrije Sadašnja eksperimentalna gornja granica na e. EDM Regan et al, Phys. Rev. Lett. 88: 071805, 2002 Romalis et al. , 2002 ograničava CP fazu na < 0. 2. Dakle, chargini ne mogu proizvesti dovoljno bariona da objasne BAU (osim ako se razni doprinosi EDM-ovima u MSSM -u u velikoj mjeri ponište).

18 CHARGINI I BARIOGENEZA U n. MSSM-u W = λH 1 H 2 –m. S/λ+. . Menon, Morrissay, Wagner (2004) Huber, Konstandin, Prokopec, Schmidt (2006) BG (~50%) BG+EDM Bariogeneza u n. MSSM-u je efikasna (η 10|obs=0. 9)! - Razlog: model sadrži scalarni singlet S, koji uzrokuje jači fazni prijelaz i dodatno narušenje CP simetrije (u usporedbi s MSSM-om)

19 Bariogeneza na energiji unifikacije Yoshimura 1978 Toussaint, Treiman, Wilczek, Zee 1979 Barr 1979; Weinberg 1979

BARIOGENEZA NA ENERGIJI UNIFIKACIJE (GUT) 20 Raspad teških (GUT) baždarskih bozona (X & Y) ili Higgsovih čestica, koji narušava CP simetriju Moderna verzija: raspad inflatonskog polja ili Higgsovih (GUT) čestica (parametrička rezonancija) Narušenje CP simetrije: interferencija dijagrama: klasičnog (tree-level) raspada i 1 petlje Mehanizam koji ne uključuje petlje: koherentna bariogeneza Y Kolb, Wolfram 1981 Garbrecht, Prokopec, Schmidt 2003, 2005 GUT Higgsove čestice se rezonantno raspadaju na različite fermione (flavours), i pri tome narušuju CP & B-L simetrije: separacija naboja između raznih fermiona resultira u bariogenezi Model je konstruiran u supersimetričnom Pati-Salam-ovom & u SO(10) modelu

BARIOGENEZA I INFLACIJA 21 Slično kao u slučaju amplifikacije fluktuacija materije, Van der Post, Prokopec (2006) Garbrecht, Prokopec (2007) koje generiraju kosmološke perturbacije, inflacija može amplificirati kvantne fluktuacije naboja LAGRANGEAN ZA SKALARNO POLJE: Narušenje CP simetrije je u kompleksnim fazama od ω i μ: Naboj je generiran u inflaciji (pomoću amplifikacije fluktuacija vakuma) 12 d. H/dt H Gustoća naboja ovisi samo o parametrima modela (ne zavisi o početnim uvjetima u inflaciji) q sadrži ne-perturbativnu amplifikaciju ~|μ|²d. H/dt/[(m²+|μ|²)(m²-|μ|²)] Ako sadrži B, q se (dijelom) pretvori u B povezuje inflaciju i bariogenezu

22 Bariogeneza preko Leptogeneze Fukugita, Yanagida 1986

LEPTOGENEZA I MAJORANA NEUTRINI 23 MAJORANA LAGRANGEAN: Prirodno se javlja kao dio GUT-a (SO(10), etc. ) Sea-saw: matrica mase: Mase neutrina: = Teški `desni‘ Majorana neutrino čestica): Fukugita, Yanagida 1986 Chen, Mahanthappa 2003 = = = se raspada kao (H=SU(2) Higgs INTERFERENCIJA: TREE LEVEL + 1 PETLJA Sphaleroni (B+L=0) pretvaraju tako kreirane leptone u barione Ako je neutrino Majorana (Diracova) čestica, matrica masa neutrina ima maksimalno 3 (1) parametra koji narušuju CP simetriju. Teški Majorana neutrini imaju 6 faza koje narušuju CP simetriju. Ne postoji direktna VEZA između narušenja CP simetrije u teškom & lakom sektoru

24 TERMALNA LEPTOGENEZA: GRANICA R-NEUTRINA Buchmüller, Di Bari & Plümacher 2003 Pretpostavka: maksimalno narušenje CP simetrije u sektoru teških desnih Majorana neutrina Davidson-Ibarra-ina granica (2002): _ konflikt s hiperprodukcijom gravitina: BBN ograničenje na proizvodnju D+ ³He uslijed raspada gravitina: Raspad hadrona na gluon+gluino implicira: Buchmüller, Peccei & Yanagida 2005 Kawasaki, Khori & Moroi 2005 Pradler, Steffen 2006

LEPTOGENEZA DIRACOVIM ν-ima DIRACOV LAGRANGEAN: 25 Dick, Lindner, Ratz, Wright 2000 Neki proces generira na visokoj T negativni početni `lijevi‘ leptonski broj: ispod T~1012 Ge. V sphaleroni (B+L=0) ga pretvore u: B 1=-L 1/2=-LL 0/3 ispod temperature na kojoj su LR procesi u ravnoteži; T<TLR < 100 Ge. V (LL=LR): B=L=-LL 0/3, LR=LL=-LL 0/6 Ti barioni i leptoni prežive do danas: predviđanje modela Slično kao u elektrogenezi: sphaleroni pretvore početni e. R u B & L na T~100 Ge. V Joyce, Prokopec 1998

ALTERNATIVNI MODELI 26 1. LEPTOGENEZA VAN TERMIČKE RAVNOTEŽE Desni Majorana neutrini su generirani procesima izvan termičke ravnoteže (npr. za vrijeme (pred)grijavanja svemira nakon inflacije) Lazarides, Shafi 1991 Kumekawa, Moroi, Yanagida 1994 inflaton Ф se raspada perturbativno ili ne. Giudice, Peloso, Riotto, Tkachev 1999 perturbativno (parametarskom resonancijom) u M 1: mehanizmom Afflecka i Dinea (1985) >> BARIONSKA ASIMETRIJA: = = NB: Treh može biti čak 106 Ge. V: zadovoljena granica gravitina (za sada!)

ALTERNATIVNI MODELI (2) 2. RESONANTNA LEPTOGENEZA 27 Flanz, Paschos, Sarkar 1996 Covi, Roulet 1997 Pilaftsis, Underwood 2003 Mase teških Majorana neutrina su gotovo degenerirane: Dijagram vlastite energije (self-energy) dominira Uvjeti na najlakšeg Majorana ν su blaži: M 1~M 2 > 1 Te. V NB: Mase moraju biti gotovo identične (fine tuning) M 1≈M 2

ALTERNATIVNI MODELI (3) 3. MEKA (SOFT) LEPTOGENEZA 28 Grossman, Kashti, Roulet 2003 D’Ambrosio, Giudice, Raidal 2003 Boubekeur, Hambye, Senjanović 2003 Ako postoji neslaganje između CP i desnih eigenstanja (s)neutrina, CP eigenstanja osciliraju (prisjetite se oscilacija KL & KS mezona: ) MODEL: meko narušenje supersimetrije za desne sneutrine (s A članom) + superpotencijal: CP desna eigenstanja sneutrina osciliraju kada Im(A) ≠ 0 LEPTOGENEZA ASIMETRIJA BARIONA: NB: Model može biti realiziran i u GUT-ovima, npr. u SO(10)

NARUŠENJE CP SIMETRIJE & LEPTOGENEZA 29 ako Yukawa-ina matrica y‘ ima 2 nule: 1 `teška‘ faza opservabla Ako je 1 Majorana vrlo težak: 3 faze 2 su opservable Model s 3 bimaksimalna miješanja: faza u Mohapatra, Nasri, Yu 2006 solarnoj matrici: sin²(θ)~1/3 favorizira simetriju Mohapatra, Yu 2006 Leptonska matrica: Pascoli Petcov Riotto 2006 S 3: simetrija permutacija 3 leptonske generacije Izvor te simetrije nije poznat ASIMETRIJA BARIONA: Mohapatra, Yu 2006 = tanβ=10 φ1 = Majorana CP faza η ~ 5/1000 = factor efikasnosti NB: Ako je S 3 aproksimativna: BAU ovisi o Diracovoj CP fazi: ×√(∆m²atm/2)

BARIOGENEZA AFFLECKA I DINE-A skalarna polja bez potencijala (flat directions) supersimetričnih teorija mogu biti nabijeni s L i/ili B nabojem B & L se generira, dok skalarna polja `flat directions‘ evoluiraju prema svojem pravom minimumu i pri tom se raspadaju. 30 Affleck, Dine 1985 Murayama, Yanagida 1994 Dine, Randall, Thomas 1996

ZAKLJUČCI 31 EDM eksperimenti gotovo isključuju bariogenezu na elektroslabim energijama u MSSM-u; konačna presuda: LHC! U modelu sa skalarnim singletom u Higgsovom sektoru (n. MSSM) BAU može biti generirana CP narušenjem, konzistentno s mjerenjima EDM-a Inflacija ne mora nužno izbrisati početnu B ili L asimetriju; dapače, inflacija može amplificirati nabijene fluktuacije vakuma (slično kozmološkim perturbacijama: veza inflacije i BAU! Termička leptogeneza je isključena u SUGRA-i, osim ako je gravitino LSP, ili ako je gravitino vrlo lagan (<<1 Ge. V) ili vrlo težak (>100 Te. V) leptogeneza izvan termičke ravnoteže je u igri (zahtijeva T reh>106 Ge. V) Resonantna i `meka‘ leptogeneza su moguće alternative; doduše uz nešto ugađanja (`fine tuning‘-a) Modeli sa S³simetrijom u leptonskom sektoru vežu leptogenezu i CP narušenje u neutrinskom sektoru SM-a Affleck-Dine-ovi mehanizmi su se održali; no često zahtijevaju fiziku na Planckovoj energiji (koja je nepoznata)