文摘
电弱baryogenesis是一个有吸引力的场景来解释宇宙的重子不对称。然而,它并不工作在标准模型中由于两个原因:(1)从Kobayashi-Maskawa CP破坏的强度机理与三代太小;(2)电弱相变不是一阶实验允许的希格斯玻色子的质量。我们讨论解决这些问题的可能性通过引入第四代费米子和电弱baryogenesis如何恢复。我们还简要讨论最近的观察与质量约125 GeV Higgs-like玻色子,将第四代在困难的情况下,和可能的出路。
1。介绍
重子不对称的宇宙的起源(BAU)不仅是一个大谜在粒子物理和宇宙学,但它是一个核心问题与我们的存在。观测证据非常引人注目。没有迹象表明任何宏观物体由反粒子。观察到的反粒子的宇宙射线被认为是次要的起源。因此,承认宇宙包含反重子的微不足道,而通常构成的重子物质(包括我们自己),或。标准大爆炸宇宙学需要(宇宙的baryon-to-entropy比率1] 如果不认为这仅仅是一个宇宙膨胀的初始条件,然后挑战与其说是辐射的主导地位,但这是否有问题的原始物质反物质湮没。
许多场景都试图解释剩余物质的微量的起源(baryogenesis)基于动态机制。共同依据这样的机制是由三个萨哈罗夫条件(2,3),由(我)重子数()违反,(2)和CP破坏,(3)偏离平衡状态。为了产生鲍起静,这三个条件必须同时满足在某个阶段早期的宇宙。
在许多提议中,电弱baryogenesis (EWBG) [4)是一个好的动机和吸引人的机制来解释鲍起静,尤其是它的成分可以可能受到大型强子对撞机(LHC)。这种机制可以操作在电弱相变(EWPT),宇宙的温度时发生GeV,它可能是baryogenesis机制在粒子物理学的标准模型(SM)。真正了不起的事实,每个人都应该记得萨哈罗夫的SM携带所有必要的原料条件。(1) 是违反了由于手性引发的异常计的相互作用。违反流程是nonperturbative现象由拓扑非平凡的SU(2)计现场配置。虽然instanton-mediated违反在零温度高度抑制,的速度违反在有限温度下通过所谓的sphaleron过渡不是微不足道的,特别是当温度或以上。(2) 违反了弱相互作用的结构,而违反了CP Kobayashi-Maskawa(公里)机制(5与三代夸克)。复杂的阶段Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM)矩阵提供了CP破坏的来源,它很好地描述了所有陆地观测CP-violating现象的话,也就是说,CP的违反- - -介子(甚至介子)系统。(3) 计对称有望恢复高温。因此,作为宇宙冷却的温度,宇宙经历相变(EWPT)从对称的阶段破碎的阶段。如果EWPT一阶,破碎的相变通过泡沫成核阶段,扩张的泡沫填满整个宇宙。因此,暂时离开平衡达到扩大泡沫的表面附近。
不幸的是,似乎SM的测量参数不足带来EWBG。SM无法解释鲍起静由于两个原因。第一个原因是公里机制有三个夸克代不能提供足够大的CP破坏(CPV)生产观察EWPT baryon-to-entropy比率。第二个原因是,EWPT不是一级的希格斯玻色子GeV,要求已经通过直接搜索地蜡[6]现在显示在大型强子对撞机(约125 GeV7,8]。因此,物理学在SM EWBG需要之外,和各种扩展SM的调查从这个角度来看。特别是,有广泛的研究(对EWBG最近的一个评论,看到9];两个希格斯和引用其中)偶极子模型和超对称SM的扩展,比如MSSM NMSSM。然而,值得注意的是,MSSM本身是在LHC的巨大压力下,及其对于EWBG只有边际(9]。最大的吸引力之一EWBG隐含新物理学应该可以在大型强子对撞机,至少部分。
在这个贡献,我们考虑一个四代(4 g)扩展的SM和讨论可能的恢复EWBG(可能复兴EWBG旁边,4 g baryogenesis还有另一个有趣的暗示,如果它是长寿;参见[10])完全在SM框架内,4 g不引入任何不是已经包含在SM。我们专注于夸克部门,包括第四代夸克和。三代的情况相比,4 g夸克带来三个额外的混合角和两个附加的复杂阶段CKM矩阵,从而提供新的CP违反来源。可以直观地认为可能影响新CP违反鲍起静通过研究basis-independent不变量由夸克质量矩阵(或汤川耦合矩阵),这是扩展Jarlskog行列式的SM。我们中的一个(11)指出,这样的一个不变的量可以高度增强的三代的情况相比,主要是由于大质量(或大型汤川耦合)和(见[12,13]因为早先讨论4 g-enhanced CP违反鲍起静)。至于EWPT的问题,一个一个循环分析表明,4 g夸克不能发挥积极作用对一阶相变(14]。不过,鉴于界限的4 g夸克质量直接搜索LHC已经进入600 GeV水平(15,16),超出了树层次使混乱的统一性绑定(乌兰巴托)500 - 550 GeV [17),我们不得不重新考虑EWPT超出微扰理论的问题。在这方面,与4 g EWPT夸克的本质仍然是相当开放的问题(解决这个问题的早期作品内的EWPT四代框架(但不是在SM框架内),[14,18)与4 g费米子(超对称模型)和(19)(动力电弱对称性破坏模型由于强烈four-fermion 4 g费米子)之间的交互)。
最近的观察Higgs-like对象与质量约125 GeV构成特别的僵局重的情况,因为天真的应用和夸克循环将增强gluon-gluon融合生产的希格斯玻色子约一个数量级,这是不支持的数据(7,8),是或玻色子。此外,二次修正从沉重的希格斯粒子的质量和夸克的光希格斯粒子的质量,而难以维持。与深光希格斯和拥有4 g夸克之间的冲突在乌兰巴托之外,似乎漫不经心的把这个再nonperturbative治疗。然而,这项工作的目的是很温和的,也就是指对EWBG 4 g的重要的性质。自从CPV的来源来自非对角的联轴器,希格斯玻色子并不直接进入EWBG计算。年底我们将讨论的可能性观察125 GeV玻色子dilaton,而不是一个善意的SM希格斯玻色子,或者它可能是一个pseudo-Goldstone希格斯玻色子。
本文组织如下。节2我们讨论CP破坏的影响,第四代夸克鲍起静部门。扩展EWBG机制的SM第四代的情况下,我们估计的数量就在一阶EWPT产生。节3,我们总结的EWPT SM短暂和讨论可能的机制诱导四代框架内一阶相变。最后,在节4,我们提供一些讨论和给我们的总结。
2。CP违反
失败的原因之一,基于SM EWBG不足千米的CP破坏阶段。这种情况可以天真的理解如下。
在SM与三代,basis-independent不变的CP破坏是由著名的Jarlskog行列式(20.), 在哪里——和down-type夸克质量矩阵。夸克的质量和CKM矩阵元素,一个人 在哪里是任何一个三角形的面积定义为两倍的幺正性条件CKM矩阵,实验确定的价值。可以估算出一个天真的CP破坏的力量在EWPT通过构造一个无量纲的量临界温度,GeV。这给了太小,BAU(占1)。
它很容易观察到的渺小产生光的力量主要来自夸克质量,,在CKM的温和抑制因素。出于这种观察和一个可能的新物理的提示过渡,建议在11]介绍了4 g夸克和替换(3),一个类似的数量涉及第二第四代夸克(或等价于治疗前两代退化), 在哪里。事实上,是一个领先的basis-independent CP破坏的不变量在四代的情况下给出了吗,一个整体因素(20.,21]。由于沉重的和,可以高度增强相比在(3)。为例如,GeV达到增强因素~1018单独从质量因素,因此,看似可能克服的渺小。
在下面,我们简要回顾EWBG在SM的情况下,我们采取一步并检查之前的期望EWBG 4 g-enhanced CP破坏的场景。
的具体机制EWBG SM内提出了法勒和Shaposhnikov (FS) [22- - - - - -25]。FS的机制,通过CP重子不对称产生违反夸克的散射表面不断扩大的泡沫,也就是说,一阶EWPT期间生成的泡沫墙。CP反射的不对称性夸克的泡沫墙引起的热影响,相互作用的夸克并在宇宙等离子charged-Higgs玻色子。FS包括这些影响雇佣一个准粒子图像和量子力学的散射问题的方式治疗。解决一个有效的粒子的狄拉克方程,他们发现公里的CP破坏阶段能充分解释在最佳条件下,与天真的参数之前。
鲍起静的非常有吸引力的SM解释FS,然而,驳斥了由Gavela等后续工作。26- - - - - -28]。这些作者指出,准粒子的宽度(阻尼率)是不包括在FS的研究,他们发现,包容的宽度减少了重子不对称微不足道。这个结果也证实了休伊特和萨瑟(HS) [29日),谁解释阻尼作为量子退相干现象引起的等离子体效应,导致降低CP不对称,量子相干中扮演着重要的角色。这些结果演示后,(重新)接受CP破坏的不足以解释BAU公里阶段。这个结论是按照天真的尺寸参数鉴于之前。我们现在估计,通过扩展商品的工作,生成的重子不对称FS机制在四代的情况下。
我们假设一个一阶相变的存在。重子不对称的生成在一阶EWPT是由(29日] 在哪里费米狄拉克分布,之间的区别是左撇子和右撇子准粒子动量对于一个给定的能量,是泡沫壁扩张的速度。我们忽视通过假设的贡献。我们把GeV在前面的公式。反映不对称所定义的 在反射系数和矩阵在风味空间;也就是说,的反射系数是吗,在那里和指夸克味对应于CP-conjugate过程。提供的CP对称反射左撇子准粒子的速度旋转,事件与能量对称的阶段求和所有味道。我们进一步假设EWPT强烈一阶,这样生成的重子不对称sphaleron过程不是冲毁的爆发阶段(参见下一节)。我们回到讨论的问题以后订单4 g相变的上下文。
通过解决一个有效的粒子的狄拉克方程的存在space-dependent夸克质量条款。与零假设平面墙厚度、有效是由狄拉克方程 在哪里,,每个四分量旋量波函数。在(7),是一个热质量矩阵的左(右)递给内部,是准粒子的宽度,我们使用一个计算量子色(30.),汤川的相互作用,忽视了可能跟修正。
商品后,我们解决有效狄拉克方程分析基于格林函数方法,使扰乱性的扩张的反射系数的夸克质量矩阵。按顺序的贡献的散射类型夸克是由 在哪里是主要的热质量夸克,来自量子色。4 g影响输入仅仅通过最后一个因素(8),出现作为一个传入的散射型夸克对泡沫墙。在三代的情况下,这个因素就是Jarlskog行列式,先前所讨论的, 在哪里定义在(2)和(3)。另一方面,四代同行更加复杂,但它可以简化21]利用夸克质量的层次结构和CKM矩阵元素,用一个温和的假设新组合,()。然后,最后一个因素(8)近似为 在哪里。一个指出,,在那里定义在(4)。因此,可以通过大量的实际上提高了吗和SM的情况相比,预期在11]。
所讨论的商品,无量纲参数使混乱的扩张的格林函数方法的订单统一或更大,,夸克,鉴于在EWPT GeV。因此,这些重夸克的扰乱性的扩张分解,和以前的结果可以减少由于大吗(方程(8)获得的扩张类型夸克质量矩阵基于格林函数方法。的类型夸克质量矩阵在(8)来源于的热质量矩阵类型的粒子,也就是说,汤川与等离子体相互作用。因此,只有的沉重夸克关系到如果不使用摄动)。因此,前面的结果可能高估了CP的不对称类型夸克。的型夸克的贡献,在秩序,主要是一样的(8)除了整个信号的差异,因此,导致一个完整的取消在这个水平。前面提到的评论是,然而,也申请了型夸克的贡献,和可能的减少量会更大,因为它包含了两个重夸克的贡献,和。我们天真地接受(8)作为主要贡献反射不对称,简单地忽略了类型夸克贡献(还有另一种类型的重大贡献,被称为在海关出现有限的夸克质量在破碎阶段时考虑自身能量的夸克。而提供了更大的贡献比(鲍起静8)三代的情况下,我们确认的贡献(8)占主导地位的四代为实验允许4 g夸克的质量)。
最终,在EWPT由重子不对称生成 在哪里GeV和GeV采用。包括新的CKM参数可通过测量风味可见相关过渡。我们注意到测量CP破坏阶段在混合,forward-backward不对称,率在LHC上进展迅速。对这些理论预测可见不受强子不确定性太多;因此,他们是有用的约束(31日]。从最近的大型强子对撞机的数据,左右的与GeV似乎在实验允许的边界地区(32]。然而,随着上升(和),有一种倾向下降,但高的权力在(11)应该很容易弥补它。
合理的4 g参数,因此,FS机制与4 g夸克似乎生成正确的数量级baryon-to-entropy比率,因此,原则上能解释BAU。我们注意到先前估计的鲍起静依赖的扰乱性的治疗/夸克的质量包括汤川耦合和几步,而LHC界限的4 g夸克质量建议nonperturbative性质对应的汤川耦合。例如,格林函数方法调用在夸克质量矩阵摄动我们已经讨论了。除了这一点外,内部的热性能得到了通过微扰计算;例如,热质量矩阵评估在一个循环水平。因此,我们的结果将是半定量的。然而,鉴于显著增强的CP不对称的4 g与观察到的鲍起静夸克和协议所示(11),我们发现应该值得进一步调查。我们进一步评论,CP-violating Jarlskog-like不变量(2)和(10)是纯代数的性质。因此,我们怀疑,一个完全动态的计算仍然应该反映这一事实。
3所示。电弱相变
除了CP破坏,其他基本问题EWBG EWPT的性质。EWBG需要一阶EWPT,通过成核和生长的broken-phase泡沫。此外,还有更强的要求(12,13]在EWPT后来解释说。
在EWBG,重子不对称EWPT利用生成违反sphaleron过渡。然而,sphaleron过渡必须解耦后的相变,否则生成的重子不对称将被淘汰。在破碎阶段,sphaleron过渡率玻耳兹曼因子成正比,在那里的能量是sphaleron配置的吗,在那里希格斯场的平均热,,是SU(2)计耦合。为了确保sphaleron过渡的解耦在破碎阶段,之前应该足够大,以抑制率,导致这种情况,在那里是由。因此,一阶EWPT必须强大到足以避免生成的重子不对称的冲刷。
一个基本的工具来分析EWPT有限温度有效势(FTEP) ((33- - - - - -35),回顾EWPT FTEP,看到36)和引用)。在SM,一个循环FTEP给出 在哪里希格斯场树层次潜力,是不依赖于温度的一个循环的贡献,代表了有限温度校正的零度的潜力。在朗道规和计划是由Coleman-Weinberg潜力 在哪里是端依赖方对粒子质量与相应数量的自由度。见表1的定义,我们注意,费米子为相反的信号。
一个循环有限温度的贡献,的话,是 在哪里和是由 在高温极限,可以扩展的(高温膨胀) 在哪里,,也就是说,和。
使用一个循环高温膨胀,FTEP可以写成 在哪里 在这里,与GeV是粒子物理质量,,以及。在(17),没有条件依赖是省略了。为了演示,我们也忽视的贡献和通过假设是轻于和,虽然这是进而不正确的。唯一看到疲弱的玻色子贡献系数立方项(17);因此,在SM很小。
这个FTEP,可以检查EWPT的行为分析。为只有最小的有效的潜力,(17),是。因此,电弱对称性恢复。随着电弱对称性被打破,相转变必须发生在一个温度满足。检查(17),清楚地看到,相变是第一个订单图中所示的形式1,第二个订单。当的临界温度和是由 然后,给出了一阶相变的强度 指出,一个轻希格斯玻色子是首选保持更强的一阶相变。
在高温下,某个类的高阶图,所谓的环图(或菊花图)36),给FTEP重大贡献。从可以resummed ring-diagrams主要贡献,它相当于转移群众玻色子的一个循环的贡献,因为在(13)和(14),热质量给出的,在那里是一个循环自身能量的粒子在红外极限。至于规范玻色子,只有纵向模式得到修正群众当一个循环采用自身能量。基本上,这禁止的纵向模式和立方项(作出贡献17)。因此,三次项的系数降低 导致EWPT的强度的降低。
这些结果,sphaleron解耦条件,,读 然而,这种情况与质量约束冲突从直接搜索地蜡,GeV [6]。此外,最近的大型强子对撞机的结果显示在125 GeV Higgs-like粒子。所以,EWPT不是强一阶SM,和生成的重子不对称EWPT不能保留在破碎阶段。
对于一个重希格斯玻色子,,在前面使用的近似分析SM不再正确。特别是高阶图除了环图也成为不可忽视的临界温度,和nonperturbative分析是必需的。晶格的研究(37- - - - - -40建议,然而,有一个端点的一阶EWPTGeV,上面的过渡变成连续的交叉。因此,没有EWPT实验首选的希格斯玻色子的质量。
成功EWBG,物理学之外的SM也是必需的。很明显,FTEP立方项的存在(17)是必不可少的一阶相变,立方项来自长期在高温膨胀的玻色子循环功能,因为在(16),而没有这样的词从费密子的贡献。所以,如果一个新的玻色子与希格斯玻色子,介绍了强耦合热循环可以提高立方项,EWPT可以加强。另一方面,引入一种新的费密子不影响立方项,因此,并不能提高EWPT的力量在一个循环水平。
基于一个循环的结果,因此,采用4 g费米子似乎无用的观点的一阶EWPT。不过,鉴于界限的4 g夸克质量直接搜索在LHC已经达到超过600 GeV级别,也就是说,除了使混乱的统一性的500 - 550 GeV,我们不得不考虑的问题EWPT除了扰乱性的水平。有趣的是,一些研究(零温度情况)表明,强烈的4 g汤川耦合夸克可以诱发新的绑定的4 g夸克(41- - - - - -43]。如果这样汤川绑定状态不够紧密,这样他们不溶解的临界温度EWPT,玻色子绑定状态可能导致FTEP通过循环效应和可能诱发立方项,导致强烈的一阶相变。在这种可能性,如果4 g夸克形成一个对冷凝,,由于强大的汤川耦合,一个有效的描述理论将由三个希格斯粒子偶极子模型(复合希格斯紧身上衣1元+ 2)[41)(EWPT multicomposite希格斯研究了偶极子模型与4 g费米子(19),希格斯粒子复合字段显示为4 g费米子的绑定状态,形成了强大的four-fermion交互)。因此,希格斯场的潜力将被修改甚至在树级别,和动力学的EWPT可能大幅改变。
4所示。讨论和总结
让我们继续前一节的讨论。Bosonization只是很重的一个方面4 g夸克可以改变EWBG的景观。毕竟,先前描述的bosonization是由于强烈的汤川耦合。SM的一个特殊特性是费米子,事实上,群众反映了动力耦合。但是费米子是特殊的,没有这些汤川耦合理论,而忽视了中微子,他们跨越一系列六个数量级!如果存在第四代以上统一性,汤川强耦合可以诱导凝结,原则上可以取代通常的冷凝希格斯场的电弱对称性破缺机制。“引导”的动力学对称性破坏(双边带)方程最近被制定44和研究45),发现数值,汤川双边带会发生耦合。如此强劲的汤川耦合,我们传统观念EWBG可能不得不重新考虑。
再次引导双边带的困难情况是新近观察到(7,8在LHC) 125 GeV玻色子。然而,观察到的状态可以是dilaton尺度不变性的违反,而不是真正的SM希格斯玻色子。dilaton向量玻色子和费米子的耦合被抑制SM希格斯玻色子情况相比,在那里dilaton衰变常数,而和联轴器的dilaton本质上是违反自由参数取决于尺度不变性的细节(46]。因此,如果观察到的信号主要来自胶子融合,dilaton可以模仿SM希格斯玻色子。歧视是由希格斯生产的检测通过向量玻色子融合(VBF),或者是轫致辐射向量玻色子(VH)。特别是,VBF-produced的重要模式模式和和模式在这方面。VBF和VH生产次属音与胶子融合相比,这些模式尚未牢固确立大型强子对撞机实验。有趣的是,引导双边带方程由建设规模不变,和目前的研究水平,介绍了启发式的规模作为引导(身体状况45];因此,dilaton原则上是允许的。125 GeV状态是否SM-like希格斯粒子或dilaton而修改可以检查联轴器ATLAS和CMS。
即使125 GeV对象验证SM-like希格斯玻色子,4 g夸克的汤川强耦合可能仍然是相关的。轻盈的希格斯玻色子可能是因为这是一个从TeV pseudo-Goldstone玻色子规模强耦合理论,事实上之前情况似乎有资格的候选人。Pseudo-Goldstone Baryogenesis (PGBG)一直主张47)作为一个可能的机制,强耦合带来参数增强有效的dimension-six交互放松希格斯之间的关系自耦和希格斯色子的质量;它是真正出现在(20.),希格斯粒子质量进入只有通过标准的关系。因此,是否在工作中可以PGBG必须通过检查希格斯玻色子自耦测试,这可能只在一个可以做到的线性对撞机能量超过500 GeV,需要几十年。
当然,制定引导双边带方程还没有在演示可能PGBG,和更多的工作要做。制定引导双边带方程本身可能提供不同的道路的研究相变。方程是一组耦合的两个循环动量积分方程的阶梯近似(45]。在有限温度下,这些将成为四个方程,由于颞集成将取代求和。可以检查双边带的温度依赖性,找到的关键当对称性恢复,还检查什么是““关键的希格斯场期望值,以及是否允许其力量强烈一阶过渡。当然,这还没有完成,但它可能会提供进一步的洞察力,是沿着不同的道路比通常的方法(36在前一节中讨论。
总而言之,EWBG是一个有吸引力的场景来解决难题,特别是因为这个场景是基于粒子物理模型,可以在大型强子对撞机中进行测试。虽然EWBG场景失败中最小的SM与三个夸克代,第四代的介绍可能恢复场景,提供希望在SM的情况下解决这个问题。来自CP侵犯CKM矩阵将高度增强SM相比,主要通过大型群众(或大型汤川耦合)和夸克。天真的延伸EWBG机制4 g SM的案例表明,在CP破坏效应可以大到足以解释BAU合理4 g参数。是否EWPT变得强烈一阶4 g夸克,仍然是一个悬而未决的问题,特别是对4 g夸克质量的范围直接搜索在LHC已经达到了600 GeV级别,这超出了扰乱性的500 - 550 GeV)的统一性。强烈一阶相变的机制可能是通过新的和/或绑定状态凝结的4 g夸克,汤川强耦合引起的,可以修改FTEP在循环/树的水平。希格斯玻色子搜索在大型强子对撞机中发现了一个新的与SM希格斯玻色子特性。这项研究仍在进行中,其性质为EWPT获得更好的理解是很重要的。总之,提供足够的CP破坏的可能性以及可能强烈一阶相变(我们没有展示),植根于大汤川联轴器的第四代夸克,使这一个有价值的追求。
确认
作者感谢y菊川刚FS的合作机制在四代的情况下,提出了部分2。支持m . Kohda南大批准号10 r40044和月桂程序,W.-S。侯的学术峰会格兰特NSC 100 - 2745 m - 002 - 002台湾国家科学理事会的asp和各种南大授予教育部卓越计划下的台湾。