[論文レビュー] Effects of the Gravitino on the Inflationary Universe

Takeo Moroi|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 1995

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 96

ひとこと要約

1995年の博士論文は、超対称性モデルにおける重photinoの宇宙論的影響を調査し、ビッグバン核合成（BBN）およびダークマター制約に注目している。崩壊に伴うエントロピー生成および光子・ニュートリノの注入を分析することで、重photino質量に厳しい制約を導出。BBNを破壊しないようにするためには、重photino質量は約10 TeVを超える必要があり、安定な重photinoが1 keVを超えると宇宙が過剰に閉じられることになる。

ABSTRACT

Gravitino problem is discussed in detail. We derive an upperbound on the reheating temperature from the constraints of the big-bang nucleosynthesis and the present mass density of the universe. Compared to previous works, we have improve the following three points; (i) the gravitino production cross sections are calculated by taking all the relevant terms in the supergravity lagrangian into account, (ii) high energy photon spectrum is obtained by solving the Boltzmann equations numerically, and (iii) the evolutions of the light elements (D, T, $^3$He, $^4$He) at the temperature lower than $\sim$1MeV are calculated by using modified Kawano's computer code.

研究の動機と目的

• 超対称性モデルにおける重photino質量の宇宙論的制約を特定すること。
• 高エネルギー光子およびニュートリノの注入を通じて、重photino崩壊がビッグバン核合成（BBN）に与える影響を評価すること。
• 不安定および安定な重photinoがバリオン対光子比およびダークマター密度に与える影響を評価すること。
• エントロピー生成および軽い元素の過剰生成から重photino質量にかかる制約を導出すること。

提案手法

• 質量のある重photinoの超対称性における有効ラグランジアンおよびフェルミオン則を用いて、その相互作用および崩壊幅をモデル化。
• ビオンツ方程式を用いて、初期宇宙における重photino崩壊からの光子およびニュートリノスペクトルをシミュレート。
• 重photino崩壊に起因する高エネルギー注入が、ビッグバン核合成期における軽い元素の豊度（D, 3He, 4He, 7Li）に与える影響を計算。
• 観測的制約（初期4Heの豊度 Yp = 0.23 ± 0.01、7Liの上限 ≤2.15）を用いて、バリオン対光子比 ηB を制約。
• スーパートレース公式を用いて、異なるモデルにおける重photino質量とSUSY破れスケールとの関係を関連付ける。
• 重photinoの現在の質量密度への寄与および宇宙の閉じる可能性への影響を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビッグバン核合成を破壊しないようにするため、重photinoの最小質量はどれほどでなければならないか？
• RQ2 重photino崩壊に起因する高エネルギー光子またはニュートリノの注入は、軽い元素の初期豊度にどのように影響するか？
• RQ3 観測されたバリオン対光子比（ηB ≈ 3×10−10）は、重photinoの性質にどのような制約を課えるか？
• RQ4 安定な重photinoは宇宙の臨界密度に寄与しうるか？ また、この制約によって除外される質量範囲は何か？
• RQ5 異なる超対称性モデル（例：最小モデル対スケールなしモデル）は、重photino質量とSUSY破れスケールとの関係にどのように影響するか？

主な発見

• ビッグバン核合成の前までに崩壊が完了するようにするため、重photino質量は約10 TeVを超える必要がある。そうでなければ、破壊的な光子注入が生じる。
• 重photinoが不安定な場合、軽いスーパーパartnerの過剰生成を防ぐため、温度が1–10 GeV以上で崩壊が起こらなければならない。これにより、m3/2 > 10^6 – 10^7 GeV が要求される。
• 質量が1 keVを超える安定な重photinoは、現在の質量密度が臨界密度を超えるため、宇宙を過剰に閉じる。
• D, 3He, 4He, 7Liの観測を統合することで、バリオン対光子比は ηB ≈ 2.8×10−10 から 3.3×10−10 の範囲に制限される。
• 初期7Li豊度は [7Li]_p ≤ 2.15 で制限され、保守的なηB範囲は1.6×10−10 から 4.0×10−10 となる。
• バリオン的ダークマター密度（ΩB ~ 1）は、h ~ 0.5–1 の場合、BBN予測と整合せず、観測結果と矛盾する。