[論文レビュー] Re-reheating, late entropy injection and constraints from baryogenesis scenarios

Germano Nardini, Narendra Sahu|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2011

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、崩壊する長寿命場（X）からの遅発的エントロピー注入が、それ以前に生成されたバリオン非対称性を希釈する可能性があるというプロセス（再再加熱と呼ばれる）を調査している。標準的な解析的近似の誤りを是正し、電弱バリオン生成、熱的レプトゲネシス、およびMSSMにおける共鳴的レプトゲネシスと整合するX場の寿命および初期豊度に関する一般的な制約を導出している。それぞれの寿命が $5\times10^{13}$、$10^{-2}$、$10^{15}\,{\rm GeV}^{-1}$ を超えると、強い制約が得られる。

ABSTRACT

Many theories of particle physics beyond the Standard Model predict long-lived fields that may have dominated the Universe at early times and then decayed. Their decay, which injects entropy in the thermal bath, is responsible for a second reheating, dubbed re-reheating, that could substantially dilute the matter-antimatter asymmetry created before. In this paper we analyze such late re-reheating and entropy dilution. It turns out that in some cases the usual analytic calculation badly fails if it is not rectified by some corrective factors that we provide. We also determine the parameter space where the entropy dilution compromises models of baryogenesis. This region can be obtained by imposing some generic constraints that are applicable to any baryogenesis mechanism and long-lived field satisfying a few assumptions. For instance, by applying them to MSSM electroweak baryogenesis, thermal non-resonant leptogenesis and thermal resonant leptogenesis, we obtain that the initial abundances of long-lived fields with lifetime longer than respectively 5*10^13, 10^-2 and 10^15 GeV^-1 are strongly constrained. Similarly, the same baryogenesis scenarios are incompatible with large oscillations of moduli with mass smaller than O(10^8), O(10^13) and O(10^7) GeV that are naturally coupled to the visible sector via gravitational dimension-five operators.

研究の動機と目的

• 崩壊する長寿命場（X）からの遅発的エントロピー注入が、事前に生成されたバリオン非対称性に与える影響を分析すること。
• 再再加熱過程におけるエントロピー希釈の標準的解析的近似に起因する系統的誤差を特定し是正すること。
• バリオン生成メカニズムと整合する、X場の寿命および初期豊度に関する一般的でモデルに依存しない制約を導出すること。
• 独立したバリオン生成とエントロピー注入を仮定して、これらの制約をMSSM電弱バリオン生成、熱的非共鳴的および共鳴的レプトゲネシスといった具体的なバリオン生成シナリオに適用すること。
• 広範な宇宙論的モデルにおいて、バリオン生成と遅発的崩壊の整合性を評価するための実用的フレームワークを提供すること。

提案手法

• 著者らは、X場支配期が明確に定義されていない非理想状態を考慮した、X場崩壊時のエントロピー注入の是正された解析的式を導出している。
• 正確な数値シミュレーションと比較することで、乖離を評価し、精度を向上させるための補正係数を導出している。
• 再再加熱温度 $T_{\text{rh}}$ は、エントロピー注入率 $\xi$ を用いて定義されており、X崩壊による99％のエントロピーが注入された時点に対応する。
• バリオン生成とエントロピー注入が独立したプロセスであると仮定し、観測されたバリオン数密度とエントロピー比に基づいて $\tau$、$\rho_X^i$、$T_i$ の制約を導出している。
• BBN制約は、$T_{\text{rh}} \geq T_{\text{BBN}} = 4\,{\rm MeV}$ を要求し、実験的および系統的不確実性を反映させるために柔軟な $\xi$ パラメータを導入している。
• 結果を具体的なバリオン生成モデルに適用する際には、X場の寿命および初期エネルギー密度に関する制約を、モジュラス振動の振幅、質量、および可視領域への重力的結合定数に関する制約に変換している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なエントロピー希釈の解析的近似は、遅発的再再加熱の文脈でどのように失敗するのか。精度を向上させるために必要な補正係数は何か？
• RQ2 独立したバリオン生成を仮定した場合、観測されたバリオン非対称性と整合する長寿命場Xの寿命および初期豊度に関する一般的な制約は何か？
• RQ3 X崩壊による遅発的エントロピー注入は、MSSM電弱バリオン生成、熱的非共鳴的レプトゲネシス、共鳴的レプトゲネシスのモデルにどの程度影響を与えるか？
• RQ4 X場のパラメータに関する制約は、可視領域との重力的結合を持つモジュラス場にどのように翻訳されるか？
• RQ5 エントロピー注入率 $\xi$ に対する異なる仮定は、BBNに基づく $T_{\text{rh}}$ の上界およびX場パラメータに関する制約にどのように影響するか？

主な発見

• X支配期が明確に定義されていない場合、特に $\Delta \lesssim 3$ の場合、標準的な解析的近似は著しく失敗し、$T_{\text{rh}}$ の推定誤差が約2.5倍に達する。
• 解析的計算と数値計算の一致を改善する補正係数が導出され、$\Delta \gtrsim 3$ の場合、エントロピー推定で10％未満、$T_{\text{rh}}$ では約20％の乖離にまで低減され、BBNの上界がわずかに厳しくなる。
• MSSM電弱バリオン生成では、寿命 $\tau \gtrsim 5 \times 10^{13}\,{\rm GeV}^{-1}$ のX場の初期豊度は強く制約される。
• 熱的非共鳴的レプトゲネシスでは、寿命 $\tau \gtrsim 10^{-2}\,{\rm GeV}^{-1}$ のX場は強く制約される。
• 熱的共鳴的レプトゲネシスでは、寿命 $\tau \gtrsim 10^{15}\,{\rm GeV}^{-1}$ のX場は強く制約される。
• Xがモジュラス場である場合、制約は振動振幅 $\mathcal{X}_i$ および $M_X \sqrt[3]{\alpha_X} \gtrsim 10^8\,{\rm GeV}$（電弱バリオン生成）、$10^{13}\,{\rm GeV}$（熱的非共鳴的レプトゲネシス）、$10^7\,{\rm GeV}$（共鳴的レプトゲネシス）に対する上界に翻訳される。