[論文レビュー] Gravitino Dark Matter in the CMSSM With Improved Constraints from BBN

D. G. Cerdeño, Ki-Young Choi+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 44被引用数 68

ひとこと要約

本稿は、制限付き最小超対称性標準模型（CMSSM）における重粒子を冷たい暗黒物質として再評価し、熱的および非熱的生成メカニズムを併用する。stau次に軽い超対称粒子（NLSP）領域では、重粒子暗黒物質が有効であるのは、顕著な熱的成分が存在する場合に限られ、高い再加熱温度（T_R > 10^3–10^8 GeV）を要するが、これは熱的レプトゲネシスと矛盾し、ほとんどの場合、物理的真空が偽真空であることを示唆する。

ABSTRACT

In the framework of the Constrained MSSM we re--examine the gravitino as the lightest superpartner and a candidate for cold dark matter in the Universe. Unlike in other recent studies, we include both a thermal contribution to its relic population from scatterings in the plasma and a non--thermal one from neutralino or stau decays after freeze--out. Relative to a previous analysis [1] we update, extend and considerably improve our treatment of constraints from observed light element abundances on additional energy released during BBN in association with late gravitino production. Assuming the gravitino mass in the GeV to TeV range, and for natural ranges of other supersymmetric parameters, the neutralino region is excluded, while for smaller values of the gravitino mass it becomes allowed again. The gravitino relic abundance is consistent with observational constraints on cold dark matter from BBN and CMB in some well defined domains of the stau region but, in most cases, only due to a dominant contribution of the thermal population. This implies, depending on the gravitino mass, a large enough reheating temperature. If $\mgravitino>1$ GeV then $T_R>10^7$ GeV, if allowed by BBN and other constraints but, for light gravitinos, if $\mgravitino>100$ keV then $T_R>3 imes 10^3$ GeV. On the other hand, constraints mostly from BBN imply an upper bound $T_R \lsim {a few}x 10^8 imes10^9$ GeV which appears inconsistent with thermal leptogenesis. Finally, most of the preferred stau region corresponds to the physical vacuum being a false vacuum. The scenario can be partially probed at the LHC.

研究の動機と目的

• 更新された宇宙論的制約を用いて、CMSSMフレームワークにおける重粒子を冷たい暗黒物質として再表現すること。
• 重粒子の残り質量関数計算に、プラズマ散乱からの熱的生成とNLSP崩壊（中性子またはstau）からの非熱的生成の両方を含めること。
• 最新の軽元素の組成測定を用いて、遅延崩壊によるエネルギー注入に対するビッグバン核合成（BBN）からの改善された制約を適用すること。
• 得られたパラメータ空間が宇宙マイクロ波背景（CMB）観測および熱的レプトゲネシスと整合するかを評価すること。
• 特に、物理的真空が真の最小値であるか、偽真空であるかを含めたモデルの真空構造を調査すること。

提案手法

• CMSSMパラメータ空間を用いて、初期宇宙における熱的および非熱的重粒子生成レートを同時に計算する。
• 軽元素組成（D, 4He, 7Li）の最新観測制約を用いて、遅延崩壊によるBBN中のエネルギー注入を制限する。
• 全重粒子残り質量密度 Ω~G~h² を計算し、観測されたCDM値（Ω_CDMh² ≈ 0.1）と比較する。
• CMBパワースペクトルおよびBBNの制約を用いて、再加熱温度 T_R を制約する。
• 有効ポテンシャルを評価し、物理的真空が局所的最小値か偽真空かを特定することで、真空安定性を評価する。
• 修正された高温QCD結合定数 α_s および更新された熱的生成断面積（参考文献[23]の修正を含む[64]）を用いて、残り質量密度の計算を精緻化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱的および非熱的生成を併用した場合、CMSSMにおける重粒子暗黒物質の有効パラメータ空間はどのようなものか？
• RQ2 遅延エネルギー注入に対する改善されたBBN制約は、許容される再加熱温度 T_R にどのような影響を与えるか？
• RQ3 重粒子の残り質量密度がCMBおよびBBN観測と整合しつつ、熱的レプトゲネシスの制約を満たすことは可能か？
• RQ4 CMSSMパラメータ空間のどの領域で物理的真空が真の最小値ではなく偽真空となるか？
• RQ5 このシナリオのLHCで検出可能なシグネチャは何か、特にstau NLSP領域においては？

主な発見

• 中性子NLSP領域は、BBN中の過剰なエネルギー注入のため、パラメータ空間の大部分で除外されるが、極めて例外的なケースを除いてはそうである。
• stau NLSP領域では、重粒子の残り質量密度がCDM観測と整合するためには、熱的生成成分が支配的でなければならない。これには、m~G~ > 100 keV の場合 T_R > 10^3 GeV、m~G~ > 1 GeV の場合 T_R > 10^7 GeV が必要である。
• BBNおよびCMB制約から再加熱温度の上限は T_R < a few × 10^8 GeV であり、これは熱的レプトゲネシスが要請する T_R > 10^9–10^10 GeV と矛盾する。
• 有効なstau NLSP領域の大部分において、物理的真空は偽真空であり、真の真空は色および電荷対称性の破れを示すため、準安定性を示唆する。
• LHCのシグネチャは標準的な運動量未検出ではなく、むしろ質量を持ち、(準)安定で電気的に帯電したstau粒子であり、長い崩壊長または直接生成によって検出可能である。
• α_sおよび熱的生成断面積の修正計算により、有効領域は m~1/2~ の低い領域にシフトし、T_R の上限は T_R ≲ a few × 10^8 GeV に厳しく制限される。