[論文レビュー] Supermassive gravitinos, dark matter, leptogenesis and flat direction baryogenesis

Rouzbeh Allahverdi, Steen Hannestad+3 more|ArXiv.org|Apr 13, 2005

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 97被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、高スケール超対称性破れを伴うモデルにおける超大質量グルビチン（m₃/₂ ≥ 50 TeV）の宇宙論的影響を調査する。重いグルビチンは崩壊によって主要にダークマターを生成でき、熱的レプトゲネシスにおける再加熱温度および右手性ニュートリノ質量の制約を緩和し、平坦な方向からのバリオン非対称性の過剰を希釈することで、高スケールSUSYのシナリオにおける実現可能なダークマターとバリオン生成を可能にする。

ABSTRACT

In general the gravitino mass and/or the soft supersymmetry breaking masses in the observable sector can be much larger than the TeV scale. Depending on the relation between the masses, new important channels for gravitino production in the early Universe can arise. Gravitinos with a mass above 50 TeV decay before big bang nucleosynthesis, which leads to relaxation of the well known bound on the reheating temperature $T_{ m R} \leq 10^{10}$ GeV. However, if the heavy gravitinos are produced abundantly in the early Universe, their decay can alter the abundance of the lightest supersymmetric particle. Moreover, they may dominate the energy density of the Universe. Their decay will in this case increase entropy and dilute already created baryon asymmetry and dark matter. Such considerations put new constraints on gravitino and sfermion masses, and the reheating temperature. In this paper we examine various cosmological consequences of supermassive gravitinos. We discuss advnatges and disadvantages of a large reheating temperature in connection with thermal leptogenesis, and find that large parts of the parameter space are opened up for the lightest right-handed (s)neutrino mass. We also discuss the viability of Affleck-Dine baryogenesis under the constraints from gravitino decay, and gravitino production from the decay of Q-balls.

研究の動機と目的

• 高スケール超対称性破れを伴うモデルにおける超大質量グルビチン（m₃/₂ ≥ 50 TeV）の宇宙論的結果を調査すること。
• グルビチン崩壊がグルビチン優位な宇宙におけるダークマター密度とバリオン非対称性に与える影響を評価すること。
• 重いグルビチンを許容することで、熱的レプトゲネシスにおける再加熱温度および右手性（s）ニュートリノ質量の制約を緩和すること。
• グルビチン崩壊が初期に生成された大きなバリオン非対称性を希釈するため、アフレック＝ダインバリオン生成の妥当性を評価すること。
• Qボール崩壊からのグルビチン生成と、平坦な方向凝集状態からの過剰なバリオン非対称性の希釈におけるその役割を分析すること。

提案手法

• 初期宇宙におけるスフェルミオン崩壊およびインフレートン崩壊によるグルビチン生成を、熱的および非熱的生成率を用いて分析する。
• ビッグバン核合成（BBN）およびダークマターの残存密度からの制約を用いて、グルビチンおよびスフェルミオン質量の上限を求める。
• グルビチン崩壊と希釈を伴う高エネルギー右手性（s）ニュートリノ（M₁ ≥ 10¹⁴ GeV）を用いた熱的レプトゲネシスを評価する。
• 平坦な方向凝集状態およびQボール形成による遅延バリオン生成をモデル化し、それらのグルビチンへの崩壊を計算する。
• 有効場理論および崩壊率計算を用いて、初期宇宙におけるグルビチン密度とエントロピー注入を決定する。
• 式 (15)、(19)、(24)、(28)、(47)、(48)、(59)、(60) を用いて、ダークマターおよびバリオン非対称性の制約からスフェルミオン質量（m̃）およびグルビチン質量（m₃/₂）の上限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超大質量グルビチン（m₃/₂ ≥ 50 TeV）は、崩壊によって非熱的ダークマターの有効な供給源として機能できるか？
• RQ2 バリオン非対称性が初期に生成された場合、グルビチン崩壊がグルビチン優位な宇宙におけるバリオン非対称性に与える影響は何か？
• RQ3 BBN、ダークマター、LSPの対消滅の組み合わせが、グルビチンおよびスフェルミオン質量スケールに課す制約は何か？
• RQ4 グルビチンが超大質量であり、BBN以前に崩壊する場合、再加熱温度（T_R ≥ m̃）が熱的レプトゲネシスで許容可能か？
• RQ5 Qボールがグルビチンへ崩壊することで、平坦な方向凝集状態の振動から生成された大きなバリオン非対称性をどの程度希釈できるか？

主な発見

• 質量 m₃/₂ ≥ 50 TeV のグルビチンはビッグバン核合成の前に崩壊するため、再加熱温度 T_R ≤ 10¹⁰ GeV という従来の上限を緩和する。
• R-パリティ保存モデルでは、グルビチン崩壊による非熱的ダークマター生成が成功するためには m₃/₂ > 50 TeV であり、過剰な生成を避けるためにLSPの対消滅が十分に強い必要がある。
• グルビチン優位な状況ではLSPの熱的密度が希釈されるが、m_χ > 2 TeV のような重いLSPでは非熱的崩壊による過剰生成が生じるため、このような重いLSPではグルビチン優位性は成立しない。
• m₃/₂ ≥ 50 TeV の場合、再加熱温度が高く、右手性（s）ニュートリノ質量（M₁）が大きい場合でも熱的レプトゲネシスが実現可能となり、従来の制約が緩和される。
• M₁ ≥ 10¹⁴ GeV の場合、レプトン数破れ散乱により熱的レプトゲネシスは失敗する。これはグルビチン優位なモデルにおけるM₁の上限を課す。
• Qボールのグルビチンへの崩壊は、大量のグルビチン生成をもたらす自然なメカニズムであり、特に長寿命の大きなQボールでは、平坦な方向凝集状態から生成されたバリオン非対称性の効率的な希釈を可能にする。