[論文レビュー] Gravitino production in the Randall-Sundrum II braneworld cosmology

N. M. C. Santos|ArXiv.org|Feb 20, 2007

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、ランサム＝サンズIIブレインワールド宇宙論におけるニュートリノの生成を調査し、特に高エネルギー領域で H ∝ ρ となるように、Friedmann方程式にブレインワールド修正を加えることで、再熱温度と重いスカラー質量の制約が顕著に変化することを示している。主な結果は、標準宇宙論の制約が緩和されることであり、これにより再熱温度をより高く、スカラーをより重く保ちながらもビッグバン核合成とダークマターの制約を満たすことが可能になる。

ABSTRACT

Braneworld modifications to the Friedmann expansion law can have an important effect on the cosmological evolution of the early universe. In particular, the primordial particle abundances crucially depend on the rate at which the universe expanded at early times. In this article, we study the production of stable and unstable gravitinos, both from thermal creation and from the decay of a heavy scalar, in the Randall-Sundrum II braneworld context. We conclude that, depending on the value of the 5D fundamental Planck mass, some of the usual standard cosmology constraints on the reheating temperature and on the mass of the heavy scalar can be evaded.

研究の動機と目的

• ランサム＝サンズIIモデルにおけるブレインワールド宇宙論が、熱的過程およびスカラーの崩壊によるニュートリノ生成に与える影響を検討すること。
• RSIIモデルにおける修正されたFriedmann方程式が、再熱温度と重いスカラー質量に関する標準宇宙論の制約を回避できるかどうかを評価すること。
• ビッグバン核合成とダークマター過充填の制約を満たす安定および不安定なニュートリノのパラメータ空間を特定すること。
• ブレインワールド条件下でのモジュライ問題とインフレーションモデルに与える影響を検討すること。
• 高エネルギー領域におけるニュートリノダークマターとスカラー崩壊率の妥当なパラメータ範囲を特定すること。

提案手法

• RSIIブレインワールドモデルにおける修正されたFriedmann方程式 H² = (8π/3Mₚ²)ρ(1 + ρ/(2λ)) を使用。低エネルギーでは標準宇宙論に還元されるが、高エネルギー領域では H ∝ ρ を与える。
• 転移温度 Tₜ ∝ (M₅⁶ / Mₚ²)¹ᐟ⁴ を導出。ここで M₅ は5次元の基本的プランク質量であり、ブレインワールド効果の発現を示す。
• 重いスカラー X が2つのニュートリノに崩壊する過程と、熱的散乱によるニュートリノ生成をモデル化。カップリングは α₃/₂、分岐比は Bₕ とする。
• ニュートリノ生成量に対するビッグバン核合成（BBN）の制約を適用。不安定ニュートリノの場合は Y₃/₂ ≤ 4×10⁻¹⁷ が要求される。
• ダークマター過充填制約を課し、安定ニュートリノの場合は Ω₃/₂h² ≤ 0.143 および Bₕ ≤ 4.5×10⁻⁴ が要求される。
• 標準宇宙論（SC）とブレインワールド宇宙論（BC）の結果を比較し、BCがSCの制約を緩和するパラメータ領域を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブレインワールド修正がFriedmann方程式に与える影響により、ニュートリノ生成率と生成量にどのような変化が生じるか？
• RQ2 RSIIブレインワールドモデルにおいて、BBN制約に違反しない範囲で再熱温度と重いスカラー場の質量をどの程度まで引き上げられるか？
• RQ3 標準宇宙論と比較して、ブレインワールド状況下でのニュートリノ質量、カップリング α₃/₂、分岐比 Bₕ の妥当なパラメータ範囲は何か？
• RQ4 ブレインワールドモデルでは、スカラー崩壊とニュートリノ生成の制約が緩和されることにより、モジュライ問題が軽減される可能性はあるか？
• RQ5 温かいダークマター制約は、ブレインワールド状況下でのニュートリノダークマターの許容可能なパラメータ空間にどのような影響を与えるか？

主な発見

• ブレインワールド修正により、ビッグバン核合成のニュートリノ生成量制約が高エネルギー領域のブレインワールド領域ではもはやこれらのパラメータを制限しないため、再熱温度をより高く、スカラー質量をより重くできる。
• 不安定ニュートリノの場合は、M₅ の上限が緩和される。m₃/₂ = 1 TeV の場合 M₅ ≲ 3.3×10¹⁰ GeV、m₃/₂ = 10 TeV の場合 M₅ ≲ 9.7×10¹² GeV となる。
• ブレインワールド領域では、ニュートリノ過生成による M_X および T_rh の上限が解除され、標準宇宙論と比較してこれらのパラメータの値をより大きくとれるようになる。
• 安定ニュートリノの場合は、温かいダークマター制約（Bₕ ≲ 4.5×10⁻⁴）により α₃/₂ ≲ 0.1αₜ が要求され、これは標準宇宙論と比較してブレインワールドモデルでより容易に満たされる。
• ブレインワールド状況では、モジュライ場の質量が O(10¹¹–10¹²) GeV まで可能であるが、これは標準宇宙論と比較して1桁大きい。これは制約が緩和されているためである。
• 特定のインフレーションモデル（例えば、混合インフレーションや混沌インフレーション）では、α₃/₂ = 0 が可能となり、スカラー崩壊によるニュートリノ生成が完全に回避される。これはブレインワールドの制約と整合的である。