1 O bariogenezie i leptogenezieKrzysztof Turzyński Instytut Fizyki Teoretycznej Wydział Fizyki UW

2 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

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

4

5 Liczba after Davidson et al., WMAP+BAO+SNe • odpowiada kwarkom na antykwarków – mała ! • zbyt duża na fluktuację we wszechświecie z równą ilością materii i antymaterii

6

7

8

9 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

10 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.

11 I. Bariogeneza elektrosłaba

12 CP w modelu standardowymdaL 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* 

13 Sphaleron konfiguracja pól lokalnie maksymalizująca energięSphalerony 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 

14 Elektrosłabe przejście fazoweT>>Tc T<  V T< T>>Tc V  gwałtowne tunelowanie do stanu prawdziwej próżni powolne staczanie do stanu prawdziwej próżni  

15 Ścianka wpuszcza chętniej do środka bąbelka kwarki niż antykwarkiW 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

16 Dlaczego to nie działa (SM)?T>>Tc T<  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

17 SM vs asymetria barionowaRozszerzenie 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

18 II. Bariogeneza Afflecka-Dine’a

19 Bariogeneza Afflecka-Dine’aRozważmy 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

20 III. Bariogeneza przez leptogenezę

21 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

22 Masy neutrin 1. Oscylacje neutrin 2. Widmo rozpadu beta trytu3. Kosmologia (CMB vs LSS) WMAP WMAP+BAO+SNe WMAP+BAO+Sne+HST+MegaZ after Thomas et al,

23 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

24 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

25 Masy neutrin L R= R NR NL= NLmechanizm 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

26 Generowanie asymetrii w Lwymywanie generowanie wymywanie

27 Generowanie asymetrii w LNaruszenie CP

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

29 Generowanie asymetrii w LBrak równowagi (rozpad)

30 Generowanie asymetrii w L

31 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.