[論文レビュー] Quasi-thermal Universe: from cosmology to colliders

Rouzbeh Allahverdi, Anupam Mazumdar|arXiv (Cornell University)|May 6, 2005

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、インフレーション後に運動的平衡が確立されるが、化学的平衡が数えきれない相互作用の非効率さにより遅れる準熱的宇宙のシナリオを提案する。この結果、重力ヒンゴの生成による原始温度の上限がないこと、右ねぎね型ニュートリノ質量が10⁹ GeVを超える熱的レプトゲネシスが可能になること、安定したダークマターのための超対称粒子質量が低減できること、電弱対称性の回復がなければ電弱ビアジェネシスが失敗する可能性があることなどの重要な帰結が生じる。

ABSTRACT

Under general circumstances full thermal equilibrium may not be established for a long period after perturbative or non-perturbative decay of the inflaton has completed. One can instead have a distribution of particles which is in kinetic equilibrium and evolves adiabatically during this period. Number-violating interactions which are required to establish chemical equilibrium can become efficient only at much later times. We highlight some of the striking consequences of such a quasi-thermal Universe. In particular, thermal gravitino production yields {\\it no bound} on the maximum temperature of the primordial thermal bath alone. As a consequence the lightest right handed neutrino mass can be $\\gg 10^{9}$ GeV in the case of thermal leptogenesis. In order to have a successful dark matter creation the masses of the lightest supersymmetric particles, i.e. Wino or Higgsino, can be considerably reduced which will provide specific collider signatures, depending on the phase the Bino type cold dark matter can also be accommodated in the bulk region. Finally the electroweak symmetry may never be restored in the early Universe, therefore weakening any hopes of realizing a successful electroweak baryogenesis.

研究の動機と目的

• インフレーション後の段階で運動的平衡は達成されるが化学的平衡が遅れる場合の宇宙論的影響を調査すること。
• 早期の化学的平衡が欠如している場合、熱的グライビトニオン生成に及ぼす影響と、原始浴の最大温度に及ぼす制約を評価すること。
• この準熱的フレームワーク下での熱的レプトゲネシスとダークマター生成の妥当性を調査すること。
• 特に電弱対称性の回復の役割を含め、電弱ビアジェネシスに及ぼす影響を評価すること。
• 特に超対称ダークマター候補において、コライダー物理学での観測可能なシグナルを同定すること。

提案手法

• インフレートンの崩壊後の宇宙を仮定し、断熱的進化を伴う運動的平衡にある粒子分布を分析する。
• 化学的平衡に必要な数の保存を破る相互作用の遅れの発現をモデル化する。
• 完全な熱平衡が成立しない状況下で、グライビトニオン生成レートを計算するために熱場理論の手法を適用する。
• 準熱的条件下での熱的レプトゲネシスの文脈において、右ねぎね型ニュートリノ質量の制約を評価する。
• 同じフレームワーク下で、最軽い超対称粒子（ウィノ、ヒッグスイノ、ビーノ）の残存密度がダークマター候補として妥当かどうかを評価する。
• 電弱転移と初期宇宙における対称性の回復が行われない可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インフレートン崩壊に続く遅れた化学的平衡段階が、宇宙論的にどのような影響を及えるか？
• RQ2 早期の化学的平衡が欠如している場合、グライビトニオン過剰生成による原始浴の最大温度に及ぼす影響は何か？
• RQ3 準熱的条件下で、右ねぎね型ニュートリノ質量が10⁹ GeVを超える場合でも、熱的レプトゲネシスが成立可能か？
• RQ4 準熱的宇宙において、ダークマター生成に必要な最軽い超対称粒子（LSP）の質量はどのように変化するか？
• RQ5 電弱対称性が一度も回復されない場合、電弱ビアジェネシスはどの程度実現可能か？

主な発見

• 準熱的シナリオにおいて、熱的グライビトニオン生成は原始熱浴の最大温度に上限を課さない。
• 準熱的条件下でも、重力ヒンゴの制約を超過しない範囲で、右ねぎね型ニュートリノ質量は10⁹ GeVを超えることができる。
• 最軽い超対称粒子（ウィノまたはヒッグスイノ）の質量は、成功したダークマター残存密度を達成するために顕著に低減可能である。
• ビーノ型のコールドダークマターは、超対称モデルの位相に応じてパラメータ空間の大部分に収容可能である。
• このフレームワーク下では、初期宇宙において電弱対称性が一度も回復されない可能性があり、電弱ビアジェネシスの可能性が弱まる。
• 準熱的シナリオは、より軽い超対称粒子と修正されたダークマター生成メカニズムに起因する、特定で検証可能なコライダーのシグナルをもたらす。