[論文レビュー] Big-Bang Nucleosynthesis and Gravitino

Masahiro Kawasaki, Kazunori Kohri+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2008

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 16

ひとこと要約

この論文は、最近の観測データと改善された理論的取り扱いを組み込むことで、不安定および安定した重粒子のビッグバン核合成（BBN）制約を再検討している。特に、重粒子質量が軽い場合に、縦方向成分の重粒子生成と、ボルツマン方程式によるstau-4He結合状態の正確なモデル化により、不安定重粒子の再熱温度に対するより厳密な制約が得られ、重粒子暗黒物質のシナリオに対する厳しい制限が得られている。

ABSTRACT

We derive big-bang nucleosynthesis (BBN) constraints on both unstable and stable gravitino taking account of recent progresses in theoretical study of the BBN processes as well as observations of primordial light-element abundances. In the case of unstable gravitino, we set the upper limit on the reheating temperature assuming that the primordial gravitinos are mainly produced by the scattering processes of thermal particles. For stable gravitino, we consider Bino, stau and sneutrino as the next-to-the-lightest supersymmetric particle and obtain constraints on their properties. Compared with the previous works, we improved the following points: (i) we use the most recent observational data, (ii) for gravitino production, we include contribution of the longitudinal component, and (iii) for the case with unstable long-lived stau, we estimate the bound-state effect of stau accurately by solving the Boltzmann equation.

研究の動機と目的

• 原始軽元素の質量分率に関する最新の観測データを用いて、ビッグバン核合成（BBN）における重粒子シナリオの制約を精緻化すること。
• 縦方向極化成分を含めた重粒子生成の理論的取り扱いを改善することで、再熱温度に対する制約を強化すること。
• ボルツマン方程式を用いて長寿命のstauと4He核間の結合状態効果を正確にモデル化し、Saha近似に代わる手法を採用すること。
• 次に軽い超対称粒子（NLSP）がビノ、stau、またはスネュートリノである場合の安定重粒子シナリオに対するBBN制約を導出し、その影響を評価すること。
• 熱的レプトゲネシスと代替生成メカニズムを含めた文脈において、BBN制約を踏まえた重粒子暗黒物質の実現可能性を評価すること。

提案手法

• BBNシミュレーションの入力として、原始的D、4He、6Liの最新の観測的制約を用いる。
• 熱的平衡計算において、重粒子生成の縦方向成分を組み込み、原始的重粒子密度の推定精度を向上させる。
• Saha方程式に代わって、stau-4He結合状態の時間発展をボルツマン方程式で解き、促進された6Li生成の正確な推定を可能にする。
• 長寿命のNLSPの崩壊が引き起こすハドロン的および電磁的シャワー過程を分析し、軽元素の崩壊およびp↔n変換への影響を計算する。
• NLSP（ビノ、stau、スネュートリノ）の複数の崩壊モードを検討し、MSSMパラメータから導かれる分岐比と相互作用強度を用いる。
• 重粒子質量とNLSP質量のパラメータ空間全域で数値的シミュレーションを実施し、軽元素の過剰生成に基づいて除外限界を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最近の原始的軽元素の質量分率に関する観測的制約は、不安定重粒子を含むモデルにおける再熱温度の上限にどのように影響するか？
• RQ2 重粒子生成の縦方向成分を含めることで、不安定重粒子シナリオにおけるBBN制約にどのような影響が生じるか？
• RQ3 stau-4He結合状態のボルツマン方程式による正確な解法は、Saha近似と比較して予測される6Liの過剰生成にどのように影響するか？
• RQ4 NLSPがビノ、stau、またはスネュートリノである安定重粒子シナリオにおけるBBN制約は何か？また、それらの強度に差はあるか？
• RQ5 BBN制約を課した場合、重粒子暗黒物質は熱的生成によって実現可能か？その場合、代替生成メカニズムはどのような必要があるか？

主な発見

• 重粒子生成の縦方向成分を含めることで、特に重粒子質量が軽い場合に再熱温度の上限が著しく厳しくなる。
• 重粒子が他のスーパパートナーよりもはるかに重い場合には、MSSM粒子の質量スペクトルに依存せずに再熱温度の上限がほぼ一定になる。
• stau-NLSPシナリオでは、ボルツマン方程式による結合状態効果のモデル化が正確に行われるが、stau密度に対する制約は従来のSaha近似に基づく推定とほぼ同等の値を示す。
• stauおよびビノNLSPシナリオでは、6Liの過剰生成によるBBN制約が最も厳しいものとなり、NLSPが1 TeV未満の場合、重粒子質量が約10 GeVを超えると除外される。
• スネュートリノ-NLSPシナリオでは、ハドロン的崩壊の抑制と弱い相互作用を示す最終状態のため、制約は著しく弱まるが、依然として非自明な影響を有する。
• すべてのケースにおいて、BBN制約は過閉じ制約（overclosure bound）よりも厳しいことが示され、重粒子の熱的レリック生成では暗黒物質を説明できないことが示唆され、再熱やスカラー凝集体の崩壊といった非熱的生成メカニズムの必要性が示された。