電弱相転移から探る物質起源

• Project/Area Number: 23K03384
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: Kanazawa University
• Principal Investigator: 青木 真由美 金沢大学, 数物科学系, 教授 (70425601)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2026: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2025: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 素粒子論

Outline of Research at the Start

宇宙の物質・反物質非対称性を説明する試みの一つとして、電弱スケールにおける強い一次相転移を用いた電弱バリオン数生成機構が知られている。標準模型では一次相転移は実現しないが、拡張模型では実現し、この機構が働く可能性が考えられる。一方、バリオン数生成にはCP対称性(C:荷電変換の不変性、P:パリティ変換不変性)の破れも必要であるが、その場合のシグナルとなる電気双極子能率は観測されていない。そこで本研究では、電弱スケールではCPが顕著に破れているが、現在の宇宙では電気双極子能率が十分抑制されるような拡張模型における相転移シナリオを提案し、物質・反物質非対称性の問題解決を試みる。

Outline of Annual Research Achievements

現在の宇宙には物質が反物質よりもはるかに多く存在しており、どのようにしてそのようなバリオン数の非対称性が生じたのかは大きな謎となっている。バリオン数非対称性を生成するためには、バリオン数の破れ、C、CP対称性の破れ(C：荷電共役、P：パリティ変換)、熱平衡状態からの逸脱の3つの条件が必要である。電弱バリオン数生成機構では、熱平衡状態からの逸脱は電弱対称性の破れに伴う相転移が強い一次的であれば満たされる。標準模型では電弱相転移はクロスオーバーになり、さらにCPの破れの大きさも十分ではないことから、電弱バリオン数生成機構を働かせるためには標準模型の拡張が必要となる。特に、スカラーセクターの拡張は一次相転移を実現しやすくするため有望である。一方、CPの破れに対しては、電気双極子モーメント(EDM)探査実験が非常に厳しい制限を与えている。電弱バリオン数生成機構で十分なバリオン数を得るために必要なCPの破れは、実験結果と矛盾する大きなEDMを容易に予言しうることから、何らかの方法でそれを避ける必要がある。
本研究では、新たなスカラー場を導入した拡張模型において、電弱相転移が2ステップで起こりその途中段階でのみCP対称性が破れる場合を考え、そこで電弱バリオン数生成機構がはたらく可能性を議論した。まず単純化した簡単な模型において解析した結果、2回目の相転移において十分なバリオン数非対称性が生成されうることがわかった。さらに、いくつかの具体的な拡張模型においてもマルチステップ電弱相転移におけるバリオン数生成の可能性を議論した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

マルチステップ電弱相転移における電弱バリオン数生成機構の新たな可能性について論文をまとめ、査読付き雑誌にて発表した。

Strategy for Future Research Activity

暗黒物質を含む暗黒セクターを伴う模型におけるCPの破れについて研究を進めていく。

Research Products

• [Journal Article] Simultaneous detection of boosted dark matter and neutrinos from the semi-annihilation at DUNE (2024)
  • Author(s): Aoki Mayumi、Toma Takashi
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2024 Issue: 02 Pages: 033-033
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2024/02/033
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Intermediate charge-breaking phases and symmetry non-restoration in the 2-Higgs-Doublet Model (2024)
  • Author(s): Aoki Mayumi、Biermann Lisa、Borschensky Christoph、Ivanov Igor P.、M?hlleitner Margarete、Shibuya Hiroto
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 2024 Issue: 2
  • DOI: 10.1007/jhep02(2024)232
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electroweak baryogenesis in the three-loop neutrino mass model with dark matter (2023)
  • Author(s): Aoki Mayumi、Enomoto Kazuki、Kanemura Shinya
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 107 Issue: 11 Pages: 115022-115022
  • DOI: 10.1103/physrevd.107.115022
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electroweak baryogenesis between broken phases in multi-step phase transition (2023)
  • Author(s): Aoki Mayumi、Shibuya Hiroto
  • Journal Title: Physics Letters B Volume: 843 Pages: 138041-138041
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2023.138041
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Inflation and dark matter from a strongly interacting Hidden sector (2023)
  • Author(s): Mayumi Aoki
  • Organizer: Scalars 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 2ヒッグスダブレット模型における対称性の破れ (2023)
  • Author(s): Mayumi Aoki
  • Organizer: Aso Workshop on Particle Physics and Cosmology 2023
  • Invited