O bariogenezie i leptogenezie Krzysztof Turzyski Instytut Fizyki

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

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

Liczba WMAP+BAO+SNe after Davidson et al. , 0802. 2962 BBN • odpowiada 20 000 001 kwarkom na 20 000 000 antykwarków – mała !

Liczba WMAP+BAO+SNe after Davidson et al. , 0802. 2962 • odpowiada 20 000 001 kwarkom na 20 000 000 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 da. L W+ da. R ub. L da. L C ig 2 Vab W– CP ub. R W– ig 2 Vab* ub. L da. R ub. R W– ig 2 Vab Eksperymenty z mieszaniem neutralnych mezonów potwierdzają naruszenie CP w modelu standardowym, tzn. Vab*

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 1012 Ge. V > Tew

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

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)? V T>>Tc T<<Tc da. L ub. L dostatecznie szybkie tunelowanie wymaga m <80 Ge. V sprzeczne z wynikami LEP naruszenie CP w modelu standardowym jest bardzo słabe =n. B/n 10 – 20 W+ ig 2 Vab

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 n. B 0 n. B J Rozpad na „zwykłe cząstki” Powstanie konfiguracji Q-ball

III. Bariogeneza przez leptogenezę

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

Masy neutrin 1. Oscylacje neutrin 2. Widmo rozpadu beta trytu 3. Kosmologia (CMB vs LSS) WMAP+BAO+SNe WMAP+BAO+Sne+HST+Mega. Z after Thomas et al, 0911. 5291

Masy neutrin Oddziaływanie fermionu z cząstką bezspinową zmienia skrętność fermionu. L R Oddziaływanie ze stałą wartością próżniową pola skalarnego => masa – mechanizm Higgsa w Modelu Standardowym

Masy neutrin dwie możliwości L R= R R – nowy stan niewystępujący w Modelu Standardowym – neutrino sterylne (nieoddziałujące z W , Z 0) tylko stany występujące w Modelu Standardowym – ale naruszona liczba leptonowa (i co z tego? ) cząstka Diraka cząstka Majorany

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

Generowanie asymetrii w L 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.