[論文レビュー] A Cosmological Upper Bound on Superpartner Masses

Lawrence J. Hall, Joshua T. Ruderman+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2013

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、軽い超対称粒子（LSP）が安定な重力レプトンであるモデルにおいて、重力レプトンの残存密度を分析することで、超パートナーパarticleの宇宙論的上限を導出する。もし超パートナーパarticleが熱平衡にあった場合、宇宙の過剰閉じ込めを避けるために、超パートナーパarticleの質量は約10 TeV未満に制限され、その上限は物質-放射の等価温度とプランクスケールの幾何平均から生じる。

ABSTRACT

If some superpartners were in thermal equilibrium in the early universe, and if the lightest superpartner is a cosmologically stable gravitino, then there is a powerful upper bound on the scale of the superpartner masses. Typically the bound is below tens of TeV, often much lower, and has similar parametrics to the WIMP miracle.

研究の動機と目的

• 自然性や電弱微調整に依存しない、超パートナーパarticle質量の宇宙論的上限を確立すること。
• 重力レプトンが軽い超対称粒子（LSP）であり、LSPが宇宙論的に安定である場合の、超パートナーパarticle質量への制約を調査すること。
• 再熱温度（$T_R$）、超パートナーパarticle質量スケール（$\tilde{m}$）、および重力レプトン質量（$m_{3/2}$）の異なる仮定のもとで、境界がどのように変化するかを探索すること。
• 重い超パートナーパarticleのモデルの妥当性を、遅延崩壊と重力レプトンの非熱的生成を分析することで評価すること。
• LSPが熱的フリーズアウトによって生成されない場合に、境界を回避できる条件を特定すること。

提案手法

• 超パートナーパarticleが熱平衡にあったと仮定し、熱的散乱、フリーズイン、フリーズアウト過程からの重力レプトンの残存密度を導出する。
• 重力レプトンの密度が宇宙を過剰に閉じ込めてはならないという条件を用いて、超パートナーパarticle質量スケール $\tilde{m}$ の上界を導出する。
• 熱的フリーズアウトが抑制される場合に適用される境界 $\tilde{m}^2 \lesssim \frac{a}{C_D} T_{\text{eq}} M_{\text{Pl}}$ を適用し、$T_R = \tilde{m}$ のとき $\tilde{m} \lesssim 10^3$ TeV が得られる。
• 次に軽い超対称粒子（NLSP）の遅延崩壊がビッグバン核合成（BBN）に与える影響を分析し、過剰なハドロン的または電磁的崩壊を伴う領域を除外する。
• 重力媒介型のシナリオ（$m_{3/2}/\tilde{m} \sim M_*/M_{\text{Pl}}$）を考慮し、異なる $M_*$ と $T_R$ 値に対する境界を評価する。
• 非縮退的な超パートナーパarticle質量とそれらがBBNおよび重力レプトンの残存密度に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力レプトンがLSPであり、超パートナーパarticleが熱平衡にあった場合、宇宙論的過剰閉じ込めを避けるために許容される最大の超パートナーパarticle質量スケールは何か？
• RQ2 超パートナーパarticleの質量上界 $\tilde{m}$ は再熱温度 $T_R$ と重力レプトン質量 $m_{3/2}$ にどのように依存するか？
• RQ3 どのような状況で、熱的フリーズアウトによる超パートナーパarticle質量の境界を回避できるか？その場合の宇宙論的制約は何か？
• RQ4 次に軽い超対称粒子（NLSP）の遅延崩壊は、重い超パートナーパarticleを持つモデルの妥当性にどのように影響するか？
• RQ5 重力媒介型のメカニズムは、超パートナーパarticle質量スケールと重力レプトンの残存密度にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 重力レプトンがLSPであり、超パートナーパarticleが熱平衡にあった場合、過剰に生成された重力レプトンによる宇宙の過剰閉じ込めを避けるために、超パートナーパarticle質量スケール $\tilde{m}$ は約10 TeV未満に制限される。
• 熱的フリーズアウトが抑制される場合に適用される境界 $\tilde{m}^2 \lesssim \frac{a}{C_D} T_{\text{eq}} M_{\text{Pl}}$ は、$T_R = \tilde{m}$ のとき $\tilde{m} \lesssim 10^3$ TeV を与え、再熱温度が高いほど境界が厳しくなる。
• $m_{3/2} \approx \tilde{m}$ の領域は、特に $T_R \gtrsim \tilde{m}$ の場合にBBNによって最も制約が厳しくなる。重力レプトンがあまりに温かすぎる場合には除外される。
• $M_* \sim M_{\text{Pl}}$ かつ $T_R \sim 10^9$ GeV のモデルは、$m_{3/2} \sim 200$ GeV および $\tilde{m}_{\text{nc}} \lesssim 5$ TeV の場合に妥当であり、熱的レプトゲネシスと整合的である。
• LSPが重力レプトンではなく、その結合定数が任意に弱い場合には、境界を回避でき、超パートナーパarticleの質量を任意に大きくできる。
• 大きな質量スプリングを持つ非縮退的な超パートナーパarticle質量は、特にNLSPのハドロン的崩壊によってBBNによって急速に制約を受けるため、大きな質量差は排除される。