Transcript PPT
Leptogeneza, czyli skąd się wzięła asymetria barionowa Wszechświata Krzysztof Turzyński IFT Paradygmat obserwacje są zgodne z hipotezą gorącego wielkiego wybuchu • nukleosynteza (T1MeV) rozpowszechnienie lekkich pierwiastków • odłączenie promieniowania (T1eV) widmo mocy reliktowego promieniowania tła nB nb nb n n szczegóły obu procesów zależą od względnej gęstości barionów i fotonów Rekombinacja e– p+ e– 380 000 lat p+ czas czas Rekombinacja zaadaptowane z Hu & White,Sci.Am. 2004 położenie W.Hu, homepage Liczba nb nb 10 6.15 0.2510 n WMAP3 • odpowiada 20 000 000 001 kwarkom na 20 000 000 000 antykwarków – mała ! Liczba nb nb 10 6.15 0.2510 n 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 W równowadze termodynamicznej... Wszechświat gorący T >> M Wszechświat gorący T << M n T3 n (MT)3/2e–M/T • 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/n10–16 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 Warunki Sacharowa Istnieją oddziaływania naruszające liczbę barionową B Warunki Sacharowa Oddziaływania naruszające B naruszają także C i CP B(i) -B(i) Jeśli C zachowane prawdopodobieństwa takich rozpadów są równe Warunki Sacharowa Oddziaływania naruszające B nie są w równowadze termodynamicznej DB DB W równowadze termodynamicznej prawdopodobieństwa 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 W+ daR ubL daL C W– ig2Vab CP ubR W– ig2Vab* ubL daR ubR W– ig2Vab Eksperymenty z mieszaniem neutralnych mezonów potwierdzają naruszenie CP w modelu standardowym, tzn. Vab Vab* Sphalerony 1 Sphaleron konfiguracja pól lokalnie maksymalizująca energię V V f 1 5 - 5 f DB=3 DL=3 B – L zachowane B + L naruszone przejścia między próżniami w równowadze termodyn. dla 1012GeV > T > Tew Elektrosłabe przejście fazowe V V T>>Tc T>>Tc f f 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? V T>>Tc f T<<Tc daL ubL W+ ig2Vab dostatecznie szybkie tunelowanie wymaga mf<80GeV sprzeczne z wynikami LEP naruszenie CP w modelu standardowym jest bardzo słabe =nB/n10–20 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 nB0 nBJ Rozpad na „zwykłe cząstki” Powstanie konfiguracji Q-ball IV. Bariogeneza przez leptogenezę Sphalerony B+L=0 L Przejścia sphaleronowe • zachowują B–L • wymywają B+L B B–L=const Asymetria w L zostaje przetworzona w asymetrię barionową Masy neutrin Dm2sol≠0 Dm2atm≠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 dwie możliwości L R L R= R 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 generowanie wymywanie Pusty wszechświat po inflacji generowanie wymywanie LB 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 Jak zwiększyć asymetrię CP bez wymywania powstającej asymetrii leptonowej? dwa prawochiralne neutrina o zdgenerowanych masach (być może całkowicie) „ekscentryczna” forma macierzy sprzężeń Yukawy neutrin …