[論文レビュー] The B-L Phase Transition: Implications for Cosmology and Neutrinos

Kai Schmitz|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2013

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 234被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、初期宇宙における$B$-$L$対称性の spontaneously broken がハイブリッドインフレーションを引き起こし、タキオン的プリヒーティング、宇宙ひも形成、および重い(s)ニュートリノの生成をもたらすと提案する。これらの重い(s)ニュートリノは、再熱を駆動し、バリオン非対称性を生成し、熱的重ヒッグス粒子生成を可能にする。主な結果として、レプトゲネシスと重ヒッグス粒子暗黒物質の両立を満たすため、重ヒッグス粒子質量に$10\,\text{GeV}$の下限が存在する。また、重い重ヒッグス粒子の崩壊による非熱的WIMP暗黒物質も代替的に可能である。

ABSTRACT

We investigate the possibility that the hot thermal phase of the early universe is ignited in consequence of the B-L phase transition, which represents the cosmological realization of the spontaneous breaking of the Abelian gauge symmetry associated with B-L, the difference between baryon number B and lepton number L. Prior to the B-L phase transition, the universe experiences a stage of hybrid inflation. Towards the end of inflation, the false vacuum of unbroken B-L decays, which entails tachyonic preheating as well as the production of cosmic strings. The dynamics of the B-L breaking Higgs field and the B-L gauge degrees of freedom, in combination with thermal processes, generate an abundance of heavy (s)neutrinos. These (s)neutrinos decay into radiation, thereby reheating the universe, generating the baryon asymmetry of the universe and setting the stage for the thermal production of gravitinos. We study the B-L phase transition in the full supersymmetric Abelian Higgs model, for which we derive and discuss the Lagrangian in arbitrary and unitary gauge. As for the subsequent reheating process, we formulate the complete set of Boltzmann equations, the solutions of which enable us to give a detailed and time-resolved description of reheating. Assuming the gravitino to be the lightest superparticle (LSP), the requirement of consistency between hybrid inflation, leptogenesis and gravitino dark matter implies relations between neutrino and superparticle masses, in particular a lower bound on the gravitino mass of 10 GeV. Similarly, in the case of very heavy gravitinos, the nonthermal production of pure wino or higgsino LSPs in heavy gravitino decays can account for the observed amount of dark matter, while simultaneously fulfilling the constraints imposed by primordial nucleosynthesis and leptogenesis.

研究の動機と目的

• 初期宇宙における$B$-$L$対称性の破れが、熱的で高温な初期宇宙を始動させるメカニズムとしての宇宙論的意味を検討すること。
• $B$-$L$対称性の破れが重い(s)ニュートリノを生成し、それらが再熱を駆動し、レプトゲネシスによってバリオン非対称性を生成する仕組みを調査すること。
• 重ヒッグス粒子が最軽い超対称粒子（LSP）である場合に、ニュートリノのパラメータと超粒子質量に課される制約を導出すること。
• 重い重ヒッグス粒子崩壊からの非熱的生成によって生じる純粋なウィノまたはヒッグス粒子LSPを含む、代替の暗黒物質のシナリオを検討すること。
• シーブスメカニズム内でのフロガット＝ニーレンのフラバー構造を用いて、未決定なニュートリノ観測量を制約すること。

提案手法

• 任意のゲージとユニタリゲージの両方で、$B$-$L$対称性の破れを記述する完全な超対称的アーベルゲージ模型のラグランジアンを定式化する。
• 再熱期における粒子密度の時間的変化をモデル化するため、完全なボルツマン方程式のセットを導出し、それを解く。
• フロガット＝ニーレンのフラバー構造を用いたシーブスメカニズムを用い、重い右手系ニュートリノ質量と軽いニュートリノ質量の関係を定式化する。
• 再熱温度$T_{\text{RH}}$を$\widetilde{m}_1$と$M_1$の関数として計算し、$\eta_B \propto \widetilde{m}_1 / M_1$を介してバリオン非対称性と関連付ける。
• 重ヒッグス粒子密度$\Omega_{\widetilde{G}} h^2$を$ m_{\widetilde{G}} $、$ m_{\tilde{g}} $、および$ T_{\text{RH}} $の関数として解析し、グルーアイノ質量を変化させた場合の定常密度を求める。
• 異なるグルーアイノ質量においても一定の暗黒物質密度を維持するための、スケーリングされた重ヒッグス粒子質量$ m_{\widetilde{G}} $の二次方程式を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $B$-$L$対称性の破れは、インフレーションと再熱と整合的である初期宇宙の熱的高温状態の起源として機能できるか？
• RQ2 重ヒッグス粒子がLSPであり、同時にレプトゲネシスと暗黒物質の制約を満たす必要がある場合、ニュートリノパラメータと超粒子質量にどのような制約が生じるか？
• RQ3 重い重ヒッグス粒子崩壊からの非熱的生成によって生じる純粋なウィノまたはヒッグス粒子LSPは、宇宙初期核合成やレプトゲネシスの制約に反しないまま、観測された暗黒物質密度を説明できるか？
• RQ4 シーブスモデルにフロガット＝ニーレンのフラバー構造を組み込むことで、従来未知であったニュートリノ観測量にどのような制約が生じるか？
• RQ5 定常な暗黒物質密度を維持するための、グルーアイノ質量と元の重ヒッグス粒子質量に依存するスケーリングされた重ヒッグス粒子質量の関数的依存性は何か？

主な発見

• $B$-$L$対称性の破れが、大統一スケールで発生し、タキオン的プリヒーティングと宇宙ひもを生成することで、高温な初期宇宙の動的起源を提供する。
• 対称性の破れ期に生成された重い(s)ニュートリノが、放射能に崩壊することで再熱を駆動し、レプトゲネシスによってバリオン非対称性を生成する。
• ハイブリッドインフレーション、レプトゲネシス、重ヒッグス粒子暗黒物質のすべてを整合させるため、重ヒッグス粒子質量に$10\,\text{GeV}$の下限が必要である。
• $m_{\widetilde{G}}^{0} \lesssim 280\,\text{GeV}$の範囲では、スケーリングされた重ヒッグス粒子質量$m_{\widetilde{G}}^{-}$が元の質量に近づくが、$m_{\widetilde{G}}^{0} \gtrsim 280\,\text{GeV}$では$m_{\widetilde{G}}^{+}$が支配的になる。
• 重い重ヒッグス粒子崩壊からの非熱的生成によって生じる純粋なウィノまたはヒッグス粒子LSPは、宇宙初期核合成およびレプトゲネシスの制約を満たしたまま、観測された暗黒物質密度を説明可能である。
• スケーリングされた重ヒッグス粒子質量は二次方程式$ m_{\widetilde{G}}^{\pm} $に従い、$ m_{\widetilde{G}}^{0} \simeq 280\,\text{GeV} $がスピン$\pm\frac{1}{2}$および$\pm\frac{3}{2}$状態が密度に等しく寄与する点を示す。